JP2006517733A - Resistance balance of energy storage device - Google Patents

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Abstract

スーパーキャパシタ(2)の形をしたエネルギ貯蔵装置に対する抵抗バランス(1)を提供する。スーパーキャパシタは2つのエネルギ貯蔵セル(3,4)を有する。いくつかの実施例においては、バランスはセルの中間に配置される。バランス(1)は平行に間隔をあけて配置された同一の広がりを持つ2つの縦方向部材(5,6)を含み、これらはそれぞれ端部(7,8)と端部(9,10)との間に延在する。平行に間隔をあけて配置された同一の広がりを持つ2つの横方向部材(11,12)は部材(5,6)の間に延在する。部材(11)はそれぞれ端部(7,9)のすぐ隣りにある部材(7,8)に取付けられるが、部材(12)は、それぞれの端部(8,10)に隣接しているがこれらから内方向に間隔をあけて配置されている部材(7,8)に取付けられる。A resistance balance (1) is provided for an energy storage device in the form of a supercapacitor (2). The supercapacitor has two energy storage cells (3, 4). In some embodiments, the balance is placed in the middle of the cell. The balance (1) includes two longitudinal members (5, 6) having the same extension and spaced apart in parallel, which are respectively end (7, 8) and end (9, 10). Extending between. Two transverse members (11, 12) having the same extent and spaced apart in parallel extend between the members (5, 6). The members (11) are each attached to the members (7, 8) immediately adjacent to the ends (7, 9), while the members (12) are adjacent to the respective ends (8, 10). They are attached to members (7, 8) that are spaced inwardly from these.

Description

発明の分野
本発明は、抵抗バランスに関し、特にエネルギ貯蔵装置のための抵抗バランスに関する。
The present invention relates to resistance balance, and more particularly to resistance balance for energy storage devices.

本発明は、主としてスーパーキャパシタで用いるために開発されたものであり、以下ではこの適用例を参照して説明する。しかしながら、本発明は、特定の使用分野に限定されず、キャパシタ、燃料電池、一次電池、二次電池、これらの装置の複合物等の他のエネルギ貯蔵装置にも好適である。   The present invention was developed mainly for use in supercapacitors, and will be described below with reference to this application example. However, the present invention is not limited to a specific field of use, and is also suitable for other energy storage devices such as capacitors, fuel cells, primary cells, secondary cells, and combinations of these devices.

本明細書で用いられる「スーパーキャパシタ(supercapacitor)」および「スーパーキャパシターズ(supercapacitors)」という用語は、電気二重層キャパシタ、このようなキャパシタを含むハイブリッド装置、および類似のエネルギ貯蔵装置を含むことが意図される。スーパーキャパシタは、ウルトラキャパシタ、電気化学キャパシタ、二重層キャパシタ等のことをいう。   As used herein, the terms “supercapacitor” and “supercapacitors” include electric double layer capacitors, hybrid devices including such capacitors, and similar energy storage devices. Intended. Supercapacitors refer to ultracapacitors, electrochemical capacitors, double layer capacitors and the like.

先行技術の説明
本明細書を通した先行技術のいかなる説明も、このような先行技術が公知であり、またはそれがこの分野における一般的な知識の一部を占めるということを認めるものとしてみなされるべきではない。
Description of Prior Art Any description of prior art throughout this specification is deemed to be an admission that such prior art is known or that it constitutes part of the general knowledge in the field. Should not.

スーパーキャパシタ等の周知の形態のエネルギ貯蔵装置は、ハウジング、少なくとも1つのエネルギ貯蔵セルを規定するために間隔をあけた構成のハウジング内に配置された2つ以上の電極、および選択された1つ以上の電極に接続され、かつ電極への外部の電気的接続を可能にするためにハウジングから延在する2つ以上の端子を含む。   Known forms of energy storage devices, such as supercapacitors, include a housing, two or more electrodes disposed in a housing spaced apart to define at least one energy storage cell, and a selected one It includes two or more terminals connected to the above electrodes and extending from the housing to allow external electrical connection to the electrodes.

1つの種類のスーパーキャパシタは、電解質に浸された対向電極を含み、電解質では、電極が、予め定められ、間隔をあけ、電気的に絶縁された構成で維持される。ある場合において、電極は、中間絶縁セパレータによって維持される。別の場合において、セパレータおよび電解質は統合されている。電極のうちの少なくとも1つは、電気二重層が電極−電解質のインターフェイスで形成される表面を提供する。典型的に、電極は、導電性の基板からなる集電装置を含む。基板は一般的に金属板等の金属であるが、他の公知の装置では、異なる導電性の材料が用いられる。基板は、好ましくは、スーパーキャパシタに大きな静電容量を与えるための大きな表面積を有する。このような大きな表面積を与える1つの方法として、基板を広い表面積の材料でコーティングする。このコーティングは、典型的に、1つ以上の携帯の炭素、たとえば、炭素繊維、微粒炭素、カーボンナノチューブ等と、炭素をそれ自身におよび集電装置に接着するための接着剤とから形成される。ポリマー等の有機分子ならびに、金属酸化物、金属水酸化物および金属リン酸塩といった無機化合物等の他の材料を用いて、電極に広い表面積を与えることもできる。したがって、電極は単一のエネルギ貯蔵セルを集合的に形成する。   One type of supercapacitor includes a counter electrode immersed in an electrolyte, where the electrodes are maintained in a predetermined, spaced apart, electrically isolated configuration. In some cases, the electrode is maintained by an intermediate insulating separator. In other cases, the separator and electrolyte are integrated. At least one of the electrodes provides a surface on which the electric double layer is formed at the electrode-electrolyte interface. Typically, the electrode includes a current collector made of a conductive substrate. The substrate is typically a metal such as a metal plate, but other known devices use different conductive materials. The substrate preferably has a large surface area to give the supercapacitor a large capacitance. One way to provide such a large surface area is to coat the substrate with a large surface area material. This coating is typically formed from one or more portable carbons, such as carbon fiber, fine carbon, carbon nanotubes, etc., and an adhesive to adhere the carbon to itself and to the current collector. . Other materials such as organic molecules such as polymers and inorganic compounds such as metal oxides, metal hydroxides and metal phosphates can also be used to give the electrode a large surface area. Thus, the electrodes collectively form a single energy storage cell.

電極および中間セパレータ(それが用いられる場合)は、積み重ねられるかまたは互いに巻きつけられ、電解質を含むハウジング内に配置される。電解質はイオンを含み、このイオンは、液体またはポリマー等のマトリックス中で自由に動き、かつ電極表面上で生じる電荷に反応することができる。さらに、それぞれの端子は、それぞれの電極の一部であるか、またはそれに接続され、そこから延在して、これらの電極への外部のアクセスを可
能にする。最後に、ハウジングは密閉されて、汚染物質が進入しかつ電解質が出て行くのを防ぐ。
The electrodes and intermediate separator (if used) are stacked or wound together and placed in a housing containing the electrolyte. The electrolyte contains ions that are free to move in a matrix such as a liquid or polymer and can react to the charge generated on the electrode surface. Further, each terminal is part of or connected to each electrode and extends therefrom to allow external access to these electrodes. Finally, the housing is sealed to prevent contaminants from entering and electrolyte from exiting.

スーパーキャパシタは、電気二重層にわたって延在する電界にエネルギを蓄積する。1つ以上の電極が電気二重層に電荷を蓄積し、かつ1つ以上の電極が電気化学反応によって電荷を蓄積するときに、この種類の装置は、「ハイブリッドスーパーキャパシタ」として知られている。   Supercapacitors store energy in an electric field that extends across the electric double layer. This type of device is known as a “hybrid supercapacitor” when one or more electrodes accumulate charge in the electric double layer and one or more electrodes accumulate charge by electrochemical reaction.

他の構成において、2つ以上のこのようなセルが端子の間で並列および/または直列に接続されて、所望の動作電圧、電流容量および/または静電容量を与える。   In other configurations, two or more such cells are connected in parallel and / or in series between the terminals to provide the desired operating voltage, current capacity and / or capacitance.

使用中に、単一のセルにわたって実際的に印加することのできる電圧は限られているため、直列に接続された複数のセルを含むことは珍しいことではない。高電圧の応用において、これは当然のこととして起こる。しかしながら、低電圧の応用についてもこれを行って、より大きな動作可能な安全係数を与えることも知られている。より高電流の応用について、複数のセルは並列に接続される。   In use, it is not uncommon to include a plurality of cells connected in series, as the voltage that can be practically applied across a single cell is limited. In high voltage applications this happens naturally. However, it is also known to do this for low voltage applications to give a larger operable safety factor. For higher current applications, multiple cells are connected in parallel.

さらなる説明によって、スーパーキャパシタ内の構成要素の降伏電圧がそのスーパーキャパシタの動作電圧に寄与することが述べられる。典型的に、動作電圧の制限は、スーパーキャパシタで用いられる以下の構成要素、すなわち塩電解質、電解溶媒、電極コーティング、集電装置、セパレータおよびパッケージングのうちの1つ以上の特性である。代替のスーパーキャパシタの構成として、その設計に内在する他の係数がある。   By further explanation, it is stated that the breakdown voltage of a component in a supercapacitor contributes to the operating voltage of that supercapacitor. Typically, the operating voltage limit is a characteristic of one or more of the following components used in a supercapacitor: salt electrolyte, electrolytic solvent, electrode coating, current collector, separator, and packaging. Alternative supercapacitor configurations include other factors inherent in the design.

セル自体の降伏電圧、すなわちセルが故障する最も低い電圧は、その構成要素の降伏電圧の最低値によって決定される。セルの降伏電圧を増加させるという従来のアプローチでは、より高い電圧の安定性を有する構成要素が用いられる。たとえば、いくつかの周知の装置では、セルの動作電圧を増加させるために非水溶媒が用いられる。   The breakdown voltage of the cell itself, ie the lowest voltage at which the cell fails, is determined by the lowest value of the breakdown voltage of the component. The conventional approach of increasing the breakdown voltage of the cell uses components with higher voltage stability. For example, in some known devices, non-aqueous solvents are used to increase the operating voltage of the cell.

超容量性セルは、典型的に、そのセルの製造業者によって与えられる動作電圧を有する。多数のセルスーパーキャパシタについて、動作電圧は、全体としてスーパーキャパシタの電圧として表わされることが多い。この動作電圧を増加することが望まれる。なぜなら、これは、以下でさらに説明されるように、スーパーキャパシタの電気的性能に寄与するだけでなく、所与の印加電圧について直列に接続されたセルが少なくてすむからである。   A supercapacitive cell typically has an operating voltage provided by the manufacturer of the cell. For many cell supercapacitors, the operating voltage is often expressed as the voltage of the supercapacitor as a whole. It is desirable to increase this operating voltage. This not only contributes to the electrical performance of the supercapacitor, as will be explained further below, but also requires fewer cells connected in series for a given applied voltage.

動作電圧は、典型的に、セルに設計される安全マージンおよびセルの寿命の要件に関するとともに、単数のまたは複数のセルの降伏電圧に基づいた公称数字である。セルの中には、短い期間、悪影響を被ることなしに動作電圧よりも高い電圧にさらされることができるものもある。しかしながら、長期間さらされると、通常、セルの短期間の性能特性が劣化すると同時に、その考えられる動作寿命が短くなる。   The operating voltage is typically a nominal number based on the safety margin and cell lifetime requirements designed for the cell, and based on the breakdown voltage of the cell or cells. Some cells can be exposed to voltages higher than the operating voltage for a short period of time without being adversely affected. However, long-term exposure usually degrades the short-term performance characteristics of the cell and shortens its possible operating life.

均一のコーティングが想定される場合、上述の種類のキャパシタから得られる静電容量(C)は、最も小さな電極の表面積に比例している。キャパシタは、多くの構成において形成され得、かつ静電容量が、各々の電気的に分離したセルのために測定されることが認識される。さらに、セルは直列および/または並列に接続され得る。   If a uniform coating is envisaged, the capacitance (C) obtained from a capacitor of the type described above is proportional to the surface area of the smallest electrode. It will be appreciated that the capacitor can be formed in many configurations and that the capacitance is measured for each electrically isolated cell. Furthermore, the cells can be connected in series and / or in parallel.

キャパシタのエネルギ貯蔵容量は、以下の等式によって示される。   The energy storage capacity of the capacitor is given by the following equation:

Figure 2006517733
Figure 2006517733

ここで、Eはジュールでのエネルギであり、Cはファラドでの静電容量であり、Vはキャパシタの動作電圧である。   Here, E is the energy at Joule, C is the capacitance at Farad, and V is the operating voltage of the capacitor.

スーパーキャパシタの性能の別の基準は、エネルギを迅速に蓄積および解放する能力であり(これはキャパシタの最大電力Pである)、これは、   Another measure of supercapacitor performance is the ability to quickly store and release energy (this is the maximum power P of the capacitor), which is

Figure 2006517733
Figure 2006517733

によって示され、Rはスーパーキャパシタの内部抵抗である。 R is the internal resistance of the supercapacitor.

内部抵抗Rは、一般的に、等価の直列抵抗または“ESR”と呼ばれる。すなわち、ESRは、電流が外部接点または端子の間で流れるスーパーキャパシタのすべての構成要素の抵抗の合計である。さらに、装置のまたは装置の個々の構成要素のESRは、1000Hzでのインピーダンスの実際の構成要素と定義される。   The internal resistance R is commonly referred to as an equivalent series resistance or “ESR”. That is, ESR is the sum of the resistances of all components of the supercapacitor where current flows between the external contacts or terminals. Furthermore, the ESR of the device or of individual components of the device is defined as the actual component of impedance at 1000 Hz.

重要なことに、等式2で示されるように、スーパーキャパシタの電力性能はESRに依存する。さらに、スーパーキャパシタのESRに著しく寄与するのは、アルミニウム等の金属からなる電極上に形成される固有の酸化物コーティングである。したがって、この固有の酸化物層を、ESRを減じるための手段として処理することが知られている。   Importantly, as shown in Equation 2, the power performance of the supercapacitor depends on the ESR. Furthermore, it is the intrinsic oxide coating formed on electrodes made of metals such as aluminum that contribute significantly to the ESR of supercapacitors. It is therefore known to treat this intrinsic oxide layer as a means to reduce ESR.

スーパーキャパシタは、従来のキャパシタよりもかなり特定の静電容量を有する。この特徴が低い抵抗と組合されるときに、このようなスーパーキャパシタは、理想的に、携帯機器、特にGSM(モバイル・コミュニケーション用グローバルシステム)、GPRS(汎用パケット無線サービス)、EDGE(GSMの発展のために増大されたデータ転送速度)、UMTS(ユニバーサル・モバイル・テレコミュニケーション・サービス)および3G(第三世代)無線技術を用いたもの用の高電力の応用に適している。スーパーキャパシタは、何百という他の適用例においても役割を果たすことができる。スーパーキャパシタが存在するエネルギおよび電力の蓄積の市場は、現在、バッテリおよび従来のキャパシタによって占められている。バッテリはエネルギを蓄積することには秀でているが、高電力でのエネルギの伝達を可能にするために設計が損なわれることがよく認識されている。従来のキャパシタは、エネルギの高速の(高電力での)伝達を行なうことができるが、伝達されるエネルギ量は、利用可能な静電容量が低いために非常に低いこともよく認識されるであろう。市場の要求に対する、既存のバッテリおよびキャパシタに被さるこれらの限界によって、スーパーキャパシタの3つの主な可能性の領域、すなわち、バッテリの交換(すなわち高いエネルギ密度を有する装置)、バッテリの補完(すなわち高い電力およびエネルギの密度を有する装置)、ならびにキャパシタの交換(すなわち小さく、高い電力の密度だけでなく、高い周波数応答を有する装置)が明らかになる。   Supercapacitors have a much more specific capacitance than conventional capacitors. When this feature is combined with low resistance, such supercapacitors are ideally developed for portable devices, especially GSM (Global System for Mobile Communications), GPRS (General Packet Radio Service), EDGE (GSM Development) Is suitable for high power applications for those using UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) and 3G (third generation) radio technology. Supercapacitors can play a role in hundreds of other applications. The energy and power storage market where supercapacitors exist is currently occupied by batteries and conventional capacitors. While batteries are excellent at storing energy, it is well recognized that designs are compromised to allow energy transfer at high power. Conventional capacitors are capable of high speed (high power) transfer of energy, but it is well recognized that the amount of energy transferred is very low due to the low available capacitance. I will. Due to these limitations on existing batteries and capacitors to market demands, the three main potential areas of supercapacitors: battery replacement (ie devices with high energy density), battery complementation (ie high) Devices with power and energy density), as well as capacitor replacement (ie, devices with high frequency response as well as small and high power density) become apparent.

現在、スーパーキャパシタの比較的高い電力の密度は、複合物のエネルギ貯蔵システム
を形成するために高いエネルギ密度を有するバッテリとの並列の組合せにとって理想的である。負荷が、一定ではないエネルギを必要とするときに、バッテリをスーパーキャパシタで補完することによって、充電されたスーパーキャパシタからピークを引出すことができる。これによってバッテリの負荷が減じられ、多くの場合、バッテリの寿命および充電式バッテリの寿命が伸びる。
Currently, the relatively high power density of supercapacitors is ideal for parallel combinations with high energy density batteries to form a composite energy storage system. When the load requires non-constant energy, a peak can be drawn from the charged supercapacitor by supplementing the battery with the supercapacitor. This reduces the load on the battery and in many cases extends the life of the battery and the life of the rechargeable battery.

最新式の携帯機器では、負荷の大きな変動を扱うことのできる電力システムが必要とされる。たとえば、携帯電話は、各々が異なる負荷の要件を有するさまざまなモードを有する。低い電力を必要としかつ比較的一定したスタンバイモードがある。しかしながら、このモードは、最寄の基地局を見つける必要であるために、周期的に中断され、信号が送受信されるため、高い負荷が必要とされる。基地局への連続的な接触が要求される完全会話モードにおいて、負荷は、瞬時の負荷が平均値とは全く異なる周期信号の形態をとる。GSMおよびGPRS等の複数の通信プロトコルが存在するが、これらはすべて周期的な負荷を特徴とするものである。並列のスーパーキャパシタ−バッテリの複合物は、特にこの適用例に適している。なぜならスーパーキャパシタからの電力は高い負荷の間に用いられ、この負荷の間は、通常、持続時間が短く、バッテリからのエネルギが、スーパーキャパシタを再充電し、かつ低い電力の要求時に基底負荷を供給することができる。デジタル無線通信装置がさらに小型化されると、バッテリのサイズが減じられ、スーパーキャパシタの必要性が増大する。   Modern mobile devices require a power system that can handle large variations in load. For example, mobile phones have various modes, each with different load requirements. There is a standby mode that requires low power and is relatively constant. However, since this mode needs to find the nearest base station, it is interrupted periodically and signals are transmitted and received, so a high load is required. In a full conversation mode where continuous contact to the base station is required, the load takes the form of a periodic signal where the instantaneous load is completely different from the average value. There are several communication protocols such as GSM and GPRS, all of which are characterized by a periodic load. A parallel supercapacitor-battery composite is particularly suitable for this application. Because the power from the supercapacitor is used during high loads, the duration is usually short and the energy from the battery recharges the supercapacitor and reduces the base load when low power is required. Can be supplied. As digital wireless communication devices are further miniaturized, the size of the battery is reduced and the need for supercapacitors increases.

スーパーキャパシタは、ハイブリッド電気自動車(HEV)の分野における適用例も有する。スーパーキャパシタは、これらの自動車の動力伝達系路の不可欠な構成要素として用いることができ、加速の際に主要な電源として、および回生制動の際に取り戻されるエネルギの蓄積のために、用いられる。このような自動車は、おそらく自動車の運転者の燃料料金を半減させ、放出を最高90%ほど削減することができる。   Supercapacitors also have applications in the field of hybrid electric vehicles (HEV). Supercapacitors can be used as an integral component of the power transmission paths of these automobiles and are used as the primary power source during acceleration and for the storage of energy that is recovered during regenerative braking. Such a car can probably halve the fuel cost of the car driver and reduce emissions by up to 90%.

一般条件において、2つの平行なプレートが外部の回路に接続され、かつ電圧差が2つのプレートの間にもたらされるときに静電容量が生じ、表面は向かい合わせで充電される。電荷のこの分離の基本的な関係は以下の等式で示されている。   In general conditions, capacitance occurs when two parallel plates are connected to an external circuit and a voltage difference is introduced between the two plates, and the surfaces are charged face to face. The basic relationship of this separation of charges is shown by the following equation:

Figure 2006517733
Figure 2006517733

ここでCは、ファラド(F)の単位を有する静電容量を示し、εはメートル(m)ごとのファラドの単位を有する誘電率であり、Aは充電されたプレートの重複領域であり、Lは分離の距離である。プレート間の領域の誘電率は、充電された表面を分離するために用いることができる材料の誘電率に関係する。   Where C denotes the capacitance having units of farad (F), ε is the dielectric constant having units of farad per meter (m), A is the overlapping region of the charged plates, and L Is the separation distance. The dielectric constant of the area between the plates is related to the dielectric constant of the material that can be used to separate the charged surfaces.

従来の材料を用いた既存の商業用のキャパシタが抱える問題は、その性能が寸法によって制限されるということである。たとえば、50μmの厚さのポリエチレンの板の金属化コーティングに基づくキャパシタは、キャパシタの1平方メートルにつき0.425μFのみ発達する。したがって、230万平方メートルを超えれば1F発達することが要求される。   A problem with existing commercial capacitors using conventional materials is that their performance is limited by size. For example, a capacitor based on a metallized coating of a 50 μm thick polyethylene plate develops only 0.425 μF per square meter of capacitor. Therefore, if it exceeds 2.3 million square meters, it is required to develop 1F.

この出願によって開発されたスーパーキャパシタは、出願人による同時継続出願、たとえば、PCT/AU98/00406、PCT/AU99/00278、PCT/AU9
9/00780、PCT/AU99/01081、PCT/AU00/00836、PCT/AU01/00553、PCT/AU01/00838およびPCT/AU01/01613において詳細に記載され、これらの内容はここに引用により援用される。
Supercapacitors developed by this application are commonly filed by applicants such as PCT / AU98 / 00406, PCT / AU99 / 00278, PCT / AU9.
9/00780, PCT / AU99 / 01081, PCT / AU00 / 00836, PCT / AU01 / 00553, PCT / AU01 / 00838 and PCT / AU01 / 01613, the contents of which are hereby incorporated by reference. .

出願人によって開発されたこれらのスーパーキャパシタは、コーティング材料として非常に広い表面積の炭素を用いることによって、上述の寸法の問題を克服する。   These supercapacitors developed by the applicant overcome the above-mentioned dimensional problems by using very large surface area carbon as the coating material.

スーパーキャパシタにおいて、電荷の分離距離は、一般的に非常に小さく、(典型的に1ナノメートル未満)、これは非常に広い表面積と組合されるときに高い静電容量をもたらす(等式3を参照されたい)。ここに、従来のキャパシタを凌ぐスーパーキャパシタの技術的利点がある。というのも、非常に薄い層における電荷の貯蔵は、約0.1Fm-2の特定の静電容量を生じるからである。これは、従来のフィルムキャパシタよりも数十万倍ほどの増加である。同様に、適用される制御された電位、可逆性のナノスケールのイオン吸着/脱着プロセスは、スーパーキャパシタの迅速な充電/放電能力をもたらす。 In supercapacitors, the charge separation distance is generally very small (typically less than 1 nanometer), which results in high capacitance when combined with a very large surface area (equation 3). See). Here are the technical advantages of supercapacitors over conventional capacitors. This is because charge storage in a very thin layer results in a specific capacitance of about 0.1 Fm −2 . This is an increase of several hundred thousand times over the conventional film capacitor. Similarly, the applied controlled potential, reversible nanoscale ion adsorption / desorption process results in the rapid charge / discharge capability of the supercapacitor.

上述のように、いくつかのスーパーキャパシタは、非常に広い表面積を有する高度に多孔性の炭素粒子の電極コーティングを利用する。たとえば、表面積は、ある好ましい実施例において、1グラム当たり100m2から最高1グラム当たり2500m2であり得る。コロイド状の炭素マトリックスは、炭素を互いに保持するだけでなく(結束)、炭素層を集電基板の表面上で保持する(接着)のに重要な役割を有する接着材料によって互いに保持される。 As mentioned above, some supercapacitors utilize highly porous carbon particle electrode coatings with very large surface areas. For example, the surface area can be from 100 m 2 per gram to up to 2500 m 2 per gram in certain preferred embodiments. The colloidal carbon matrix is not only held together (bonded) but also held together by an adhesive material that has an important role in holding the carbon layer on the surface of the current collecting substrate (adhesion).

集電基板は一般的に金属箔であるが、これは装置の種類によって変化する。   The current collecting substrate is generally a metal foil, but this varies depending on the type of apparatus.

スーパーキャパシタの分野における関心のうちの1つの変数は、含まれる電解質の性質である。電解質は、典型的に、1つ以上の溶解されたイオン種を含む1つ以上の溶媒である。多くの場合、電解質の物理的および電気化学的な特性は、スーパーキャパシタの内部抵抗(ESR)およびスーパーキャパシタの「電力スペクトル」、すなわちスーパーキャパシタがさまざまな時間領域またはさまざま周波数範囲にわたって電力を与える能力を決定する際の重要な要素である。   One variable of interest in the supercapacitor field is the nature of the electrolyte involved. The electrolyte is typically one or more solvents that contain one or more dissolved ionic species. In many cases, the physical and electrochemical properties of the electrolyte are the internal resistance (ESR) of the supercapacitor and the “power spectrum” of the supercapacitor, ie the ability of the supercapacitor to power over various time domains or frequency ranges Is an important factor in determining

電解質溶液の導電率(κ)に影響を与える要素は、1994年12月12から14日にフロリダ州、ディアフィールドビーチ、オーシャン・リゾート・ホテルおよびカンファレンスセンターで開催され、フロリダ・エジュケーショナル・セミナーズ・インコーポレイティッド(Florida Educational Seminars, Inc.)(フロリダ33431、ボカラトン、スイート358、グレードロード1900)によって調整された「二重層キャパシタおよび類似のエネルギ貯蔵装置に関する第4回国際セミナー」(“The Fourth International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices”)から抜粋されたB.E.コンウェイ(B.E.Conway)による論文で詳細に記載されている。   Factors affecting the conductivity (κ) of the electrolyte solution were held December 12-14, 1994 at Deerfield Beach, Florida, Ocean Resort Hotel and Conference Center, Florida Educational “The 4th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices” (“Florida Educational Seminars, Inc.” (Florida 33431, Boca Raton, Suite 358, Grade Road 1900) B. Excerpt from “The Fourth International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices”). E. It is described in detail in a paper by B.E.Conway.

要約すると、導電率を決定する際に含まれる2つの主要な要素がある。すなわち、
a) 自由な電荷担体、カチオンおよびアニオンの濃度、
b) 電解質で解離したイオンごとのイオン移動度または導電率の寄与
である。
In summary, there are two main factors involved in determining conductivity. That is,
a) free charge carrier, concentration of cations and anions,
b) Contribution of ion mobility or conductivity for each ion dissociated by the electrolyte.

次にこれらの2つの主要な要素に影響を与える複数の副要素がある。すなわち、
a) 選択された塩の溶解度、
b) 自由イオンへの解離の度合い、イオン種のイオンペアの程度等の要素。これはさらに、塩の濃度、温度および溶媒の誘電率によって影響される。
Then there are several sub-elements that affect these two main elements. That is,
a) the solubility of the selected salt,
b) Factors such as the degree of dissociation into free ions and the degree of ion pairs of ionic species. This is further influenced by salt concentration, temperature and the dielectric constant of the solvent.

c) 温度依存特性である溶媒の粘性。温度が増加すると、それに応じて粘性が低下する。   c) Viscosity of the solvent, which is a temperature dependent property. As the temperature increases, the viscosity decreases accordingly.

したがって、スーパーキャパシタの溶媒は、以下の基準を考慮して設計することができる。   Therefore, the supercapacitor solvent can be designed in consideration of the following criteria.

a) 選択されたイオン種の溶媒
b) 溶液におけるカチオン/アニオンペアの解離の度合い
c) 誘電率
d) 電子対供与性
e) 高いイオン移動度の許容
f) 自由イオンの溶媒和および溶媒和イオンの半径の度合い
g) 粘性(すなわち意図される温度範囲における低い粘性)の温度係数
h) イオンペアの平衡
また、溶媒は化学的に安定している必要がある。硫酸および水酸化カリウムの溶液等の水性の電解質が用いられることが多い。なぜなら、これらは高い導電性を有する電解質の生成を可能にするからである。しかしながら、水は、充電で水素および酸素への電解の影響を受けやすく、動作の比較的小さな電気化学窓を有し、外側で印加された電圧が溶媒を劣化させる。1.5Vを超える電圧を必要とする適用例において電気化学的な安定性を維持するために、直列のスーパーキャパシタセルを用いる必要があり、これは非水装置に関連するサイズを増加させる。スーパーキャパシタがその動作寿命の間に数十万回充電および放電をしなければならないと考えられるときに、安定性が重要となる。
a) Solvent of selected ionic species b) Degree of dissociation of cation / anion pair in solution c) Dielectric constant d) Electron pair donation e) High ion mobility tolerance f) Free ion solvation and solvation ions G) Temperature coefficient of viscosity (ie, low viscosity in the intended temperature range) h) Equilibrium of ion pairs Also, the solvent must be chemically stable. Aqueous electrolytes such as sulfuric acid and potassium hydroxide solutions are often used. This is because they enable the production of electrolytes with high conductivity. However, water is susceptible to electrolysis to hydrogen and oxygen on charge, has a relatively small electrochemical window of operation, and an externally applied voltage degrades the solvent. In order to maintain electrochemical stability in applications requiring voltages above 1.5V, it is necessary to use series supercapacitor cells, which increases the size associated with non-aqueous devices. Stability is important when a supercapacitor is believed to have to be charged and discharged hundreds of thousands of times during its operating life.

もちろん、費用、毒性、純度および乾燥度の考慮等、溶媒への処理要件もある。   Of course, there are also processing requirements for solvents such as cost, toxicity, purity and dryness considerations.

関連する分野で一般的に用いられる非水性溶媒、たとえば、バッテリは、高い誘電率の非プロトン性(たとえば有機炭酸塩)、高いドナー数を有する低い誘電率(たとえばジメトキシエタン、テトラヒドロフランまたはジオキソラン)、高い分極能力を有する低い誘電率(たとえばトルエンもしくはメシチレン)、または中間誘電率の非プトロン性の(たとえばジメチルホルムアミド、ブチロラクトン)の溶媒として分類することができる。   Non-aqueous solvents commonly used in the related fields, such as batteries, have a high dielectric constant aprotic (eg, organic carbonate), a low dielectric constant with a high donor number (eg, dimethoxyethane, tetrahydrofuran or dioxolane), It can be classified as a low dielectric constant (e.g. toluene or mesitylene) with high polarizability, or a medium dielectric constant non-ptronic (e.g. dimethylformamide, butyrolactone) solvent.

しかしながら、上述のスーパーキャパシタの特定の電解質の要件に加えて、実際にはスーパーキャパシタが分離において動作しないと考えられる。むしろ、使用中に、これらは高い温度を生成する構成要素および同様の他の構成要素の存在下で制限された環境にあり、これは電解質の溶媒を選択するときに考慮しなければならない。また、スーパーキャパシタは、開始時に、上述の高い動作電圧よりもかなり低い(氷点下の範囲の)温度で動作することができなければならないことを考慮に入れる必要がある。   However, in addition to the specific electrolyte requirements of the supercapacitor described above, it is believed that in practice the supercapacitor does not operate in isolation. Rather, in use, they are in a restricted environment in the presence of components that produce high temperatures and other similar components, which must be considered when selecting the electrolyte solvent. Also, it must be taken into account that the supercapacitor must be able to operate at a temperature that is significantly lower (in the sub-freezing range) than the high operating voltage mentioned above.

バッテリのエネルギ貯蔵は、スーパーキャパシタの電気的伝達とは対照的に、電解質のセルのESRへの寄与にそれほど依存しないが、バッテリにおいても低いESRが望ましい。高い沸点を有する溶媒は、常に高い粘性を有し、結果として低い温度での低い電荷の可動性を有する。したがって、環状エーテルおよびラクトン等の高い沸点の溶媒は、スーパーキャパシタにおいて何が非常に高いESRであるかにそれほど関係なく、バッテリで使用することができる。   Battery energy storage is less dependent on electrolyte cell contribution to ESR, as opposed to supercapacitor electrical transfer, but low ESR is also desirable in batteries. A solvent with a high boiling point always has a high viscosity and consequently a low charge mobility at low temperatures. Thus, high boiling solvents such as cyclic ethers and lactones can be used in batteries regardless of what is the very high ESR in supercapacitors.

これらのおよび他の考慮すべき事項が、同時継続出願PCT/AU03/00334においてより詳細に述べられ、この内容は相互参照によって本明細書に援用される。   These and other considerations are described in more detail in co-pending application PCT / AU03 / 00334, the contents of which are hereby incorporated by cross-reference.

上述の説明では、いかなる所与の適用例のスーパーキャパシタの設計にも通じるさまざまな要素を示す。しかしながら、スーパーキャパシタの直列の組合わせを必要とする適用
例についてはさらなる複雑さが生じてくる。特に、製造上の許容差のために、および許容差と費用のバランスをとる必要があるために、必然的に、名目上同様のスーパーキャパシタの間での均一性が欠如してくる。すなわち、装置のいかなる所与の測定可能な特性も、所与の許容差内で低下する際に、許容値の間で分配される。直列に接続されるべきスーパーキャパシタ間の均一性の欠如から生じる問題は、以下の論文によって概説される。
In the above description, various elements are shown that lead to the design of a supercapacitor for any given application. However, additional complexity arises for applications that require a series combination of supercapacitors. In particular, uniformity between nominally similar supercapacitors is inevitably lacking due to manufacturing tolerances and the need to balance tolerances and costs. That is, any given measurable characteristic of the device is distributed between tolerances as it falls within a given tolerance. The problems arising from the lack of uniformity between supercapacitors to be connected in series are outlined by the following paper.

a) ジョンR.ミラー(John R. Miller)著、ニュージャージー州、チェリーヒルで開催された第36回国際電源シンポジウムの議事録、p15〜18(1994年6月)に含まれる「電気化学的キャパシタの電圧バランス−高電圧装置のセルの均一性の要件」(“Electrochemical Capacitor Voltage Balance-Cell Uniformity Requirements for High-Voltage Devices”)
b) ジョンR.ミラーおよびスザンナM.バトラー(Susannah M. Butler)著、2001年12月3から5日、フロリダ州、ディアフィールドビーチで開催された二重層のキャパシタおよび同様のエネルギ貯蔵装置に関する第11回国際セミナーに提出された「電気化学的キャパシタのフロート電圧動作:セル電圧の均一性への漏れ電流の影響」(“Electrochemical Capacitor Float-Voltage Operation: Leakage Current Influence On Cell Voltage Uniformity”)
c) B.E.コンウェイ著、1995年12月4〜6日、フロリダ州、ボカラトンで開催された二重層のキャパシタおよび同様のエネルギ貯蔵装置に関する第5回国際セミナーに提出された「バッテリに関する電気化学的なキャパシタの自己放電の特徴付けおよび動作ならびにメカニズム」(“Characterization And Behavior And Mechanism Of Self-Discharge Of Electrochemical Capacitors In Relation To That At Batteries”)
スーパーキャパシタは、1つ以上の直列に接続されたセルを含むことが認識されるであろう。所与の動作電圧につき、セルの動作電圧に基づいて或る数のこれらのセルが必要がある。これらのセルが単一のスーパーキャパシタにパッケージされるか、または複数の直列に接続されたスーパーキャパシタにパッケージされるかどうかはそれほど重要ではない。いずれの場合においても、事実上、直列に接続された複数の超容量性セルがある。直列のセルの各々は、以下のものを含む複数の電気的特性を有する。
a) John R. "Voltage Balance of Electrochemical Capacitors-High" included in the Minutes of the 36th International Power Symposium held in Cherry Hill, New Jersey, p. 15-18 (June 1994) by John R. Miller Voltage Equipment Cell Uniformity Requirements ”(“ Electrochemical Capacitor Voltage Balance-Cell Uniformity Requirements for High-Voltage Devices ”)
b) John R. Miller and Susanna M. "Electricity" submitted to the 11th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices held by Desfield Beach, Florida, December 3-5, 2001, by Susannah M. Butler Chemical Capacitor Float Voltage Operation: Effect of Leakage Current on Cell Voltage Uniformity (“Electrochemical Capacitor Float-Voltage Operation: Leakage Current Influence On Cell Voltage Uniformity”)
c) B. E. Conway's Electrochemical Capacitor Self-Battery submitted to the 5th International Seminar on Double-layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices held 4-6 December 1995 in Boca Raton, Florida Characterization And Behavior And Mechanism Of Self-Discharge Of Electrochemical Capacitors In Relation To That At Batteries ”
It will be appreciated that a supercapacitor includes one or more cells connected in series. For a given operating voltage, a certain number of these cells are required based on the operating voltage of the cells. It is less important whether these cells are packaged in a single supercapacitor or in multiple series connected supercapacitors. In any case, there is effectively a plurality of supercapacitance cells connected in series. Each of the cells in series has a plurality of electrical characteristics including:

a) 電荷電流は、セルをその動作電圧(V0)まで充電するために用いられる電流である。 a) The charge current is the current used to charge the cell to its operating voltage (V 0 ).

b) 電荷蓄積電流は、セルが動作電圧で保持された直後の予め定められた期間にセルに流れ込む減少電流である。(典型的に、予め定められた期間は数十時間である。)
c) 漏れ電流(IL)は、それが予め定められた期間を超えて動作電圧で保持されるときに、セルに流れ込む減少電流である。
b) The charge storage current is a reduced current that flows into the cell during a predetermined period immediately after the cell is held at the operating voltage. (Typically, the predetermined period is tens of hours.)
c) Leakage current (I L ) is the reduced current that flows into the cell when it is held at the operating voltage over a predetermined period of time.

d)   d)

Figure 2006517733
Figure 2006517733

によって規定された抵抗である等価の並列抵抗(EPR)
e) RC時定数としても知られる時定数は、ESRおよび静電容量の積に等しい。
Equivalent parallel resistance (EPR), which is the resistance defined by
e) The time constant, also known as the RC time constant, is equal to the product of ESR and capacitance.

f) PCT/AU99/01081で規定されるような応答時間(T0
g) PCT/AU99/01081で規定されるような体積測定のおよび重量測定のFOM、
h) それぞれが単位体積または単位質量ごとに等式2によって規定される、体積測定のおよび重量測定の最大電力密度、
i) それぞれが単位体積または単位質量ごとに等式1によって規定される、体積測定および重量測定のエネルギ密度
スーパーキャパシタを、超容量性セルとは対照的に、これらの同じ特性という観点から分類することもできる。
f) Response time as defined in PCT / AU99 / 01081 (T 0 )
g) Volumetric and gravimetric FOM as specified in PCT / AU99 / 01081,
h) Maximum volumetric and gravimetric power density, each defined by Equation 2 per unit volume or unit mass,
i) Volumetric and gravimetric energy densities, each defined by Equation 1 per unit volume or unit mass, classify supercapacitors in terms of their same characteristics as opposed to supercapacitive cells You can also.

複数の直列に接続されたセルが用いられる場合に、これらのセルが同じスーパーキャパシタまたは複数のスーパーキャパシタにあるかどうかにかかわらず、セルの各々は、その差が小さくても、上記の特性につき異なる値を有する。これに対する部分的な解決策として、直列接続用のセルを「整合させる」ことが知られている。典型的に、整合される特性は、漏れ電流、静電容量およびESRである。しかしながら、これは所与の適用例について重要な性能パラメータに依存する。   When multiple series-connected cells are used, each of the cells will have the above characteristics, even if the difference is small, regardless of whether these cells are in the same supercapacitor or multiple supercapacitors. Have different values. As a partial solution to this, it is known to “match” the cells for series connection. Typically the matched properties are leakage current, capacitance and ESR. However, this depends on important performance parameters for a given application.

名目上同様のセルまたは名目上同様のスーパーキャパシタの整合は、典型的に静的なおよび制御された条件に基づくため、効率が制限される。   Matching nominally similar cells or nominally similar supercapacitors is typically based on static and controlled conditions, thus limiting efficiency.

所与のセルについての上記の特性は、時間、セルの温度およびセルがさらされる電圧とともに変化することが知られている。したがって、製造時に十分に整合されると考えられるセルでも、セルが使用される際に必ずしもその状態が保たれるわけではない。これは、たとえば、上述の特性のうちの一部につき、一旦差が十分明白になると、その差を増大させる効果があるために悪化される。   The above characteristics for a given cell are known to vary with time, cell temperature and voltage to which the cell is exposed. Thus, a cell that is considered well matched during manufacturing does not necessarily maintain its state when the cell is used. This is exacerbated, for example, because of the effect of increasing the difference once it becomes sufficiently apparent for some of the above characteristics.

例として、複数の直列に接続された超容量性セルにつき、セルの各々は、セル全体にわたっての所与の温度および電圧について、いかなる不純物およびその化学的性質も含むその物理的構成に基づいた一意の等価の並列抵抗(EPR)を有する。直列のセルが、使用中に温度変化を経験する場合、これは典型的に、各セルにつき同じである可能性が低いEPRに変化をもたらす。したがって、十分に整合されたセルは、温度変化、機械的応力等の環境的な影響によって容易に整合が不十分になる。この効果は、直列のセルが環境的な影響における差にさらされる場合に悪化される。この例は、積層されたセルで生じ、積層の底部のセルは、それがプロセッサまたは他の回路もしくは構成要素等の熱源に比較的近接しているために優先的に加熱される。   As an example, for a plurality of series connected supercapacitive cells, each of the cells is unique for a given temperature and voltage across the cell based on its physical configuration, including any impurities and their chemistry. Equivalent parallel resistance (EPR). If cells in series experience a temperature change during use, this typically results in a change in EPR that is unlikely to be the same for each cell. Thus, a well-aligned cell is easily insufficiently aligned due to environmental effects such as temperature changes and mechanical stresses. This effect is exacerbated when series cells are exposed to differences in environmental influences. This example occurs with stacked cells, where the cell at the bottom of the stack is preferentially heated because it is relatively close to a heat source such as a processor or other circuit or component.

上述の状況において、すべてが事前に十分に整合されていても、温度差によって、直列のセルのEPR間の差が大きくなる。これは次に、各セルによって観察される適用電圧の相対的な割合を変更し、したがって高い割合を観察するセルの故障の危険性を高める。セルによって観察される電圧がセルの降伏電圧に接近していなくても、動作電圧を超える危険性があることにより、セルの信頼性および寿命が損なわれる。   In the above situation, even if everything is well aligned beforehand, the temperature difference will increase the difference between the EPRs of the series cells. This in turn changes the relative proportion of applied voltage observed by each cell, thus increasing the risk of failure of cells observing a high proportion. Even if the voltage observed by the cell is not close to the breakdown voltage of the cell, the reliability and lifetime of the cell is compromised by the risk of exceeding the operating voltage.

発明の開示
本発明の目的は、先行技術の不利な点の少なくとも1つを克服もしくは改善し、または有用な代替例を提供することである。
Disclosure of the Invention It is an object of the present invention to overcome or ameliorate at least one of the disadvantages of the prior art or to provide useful alternatives.

本発明の第1の局面に従うと、少なくとも2つのエネルギ貯蔵セルを有するエネルギ貯蔵装置のための抵抗バランスが与えられ、抵抗バランスはセルの中間に配置される。   According to a first aspect of the present invention, a resistance balance is provided for an energy storage device having at least two energy storage cells, the resistance balance being arranged in the middle of the cells.

好ましくは、セルは直列に接続され、バランスは、それぞれのセルと並列の複数の抵抗経路を含む。より好ましくは、バランスは、それぞれの経路を規定するための複数の抵抗部材を含む。すなわち、経路はそれぞれの長さに沿って均一の抵抗性を有する。しかしながら、他の実施例において、各々の経路は、抵抗部分によって接続される分離した導電部分を含む。さらなる実施例において、バランスは、1つ以上のアクティブ素子を含む。   Preferably, the cells are connected in series and the balance includes a plurality of resistance paths in parallel with each cell. More preferably, the balance includes a plurality of resistance members for defining each path. That is, the path has a uniform resistance along each length. However, in other embodiments, each path includes separate conductive portions connected by a resistive portion. In a further embodiment, the balance includes one or more active elements.

好ましくは、抵抗部分は表面実装抵抗器である。より好ましくは、抵抗は、はんだ、導電性接着剤または他の手段によって隣接する導電部分に電気的に接続される。他の実施例において、アクティブ素子の表面が装着される。   Preferably, the resistive portion is a surface mount resistor. More preferably, the resistor is electrically connected to the adjacent conductive portion by solder, conductive adhesive or other means. In another embodiment, the active element surface is mounted.

好ましくは、一方のセルは、第1の端子および第2の端子を含み、第1の端子は、装置の負端子を規定する。より好ましくは、他方のセルは、第3および第4の端子を含み、第4の端子は装置の正端子を規定し、第2の端子は第3の端子に電気的に接続される。   Preferably, one cell includes a first terminal and a second terminal, the first terminal defining the negative terminal of the device. More preferably, the other cell includes third and fourth terminals, the fourth terminal defines the positive terminal of the device, and the second terminal is electrically connected to the third terminal.

好ましくは、バランスは、
第1の端部と第2の端部との間に延在するフレームと、
第1の端子に接続するために第1の端部から延在する第1のタブと、
第1のタブから間隔をあけ、かつ第4の端子に接続するために第1の端部から延在する第2のタブと、
第2のおよび第3の端子と接続するために第2の端部から延在する第3のタブとを含む。
Preferably, the balance is
A frame extending between the first end and the second end;
A first tab extending from the first end to connect to the first terminal;
A second tab spaced from the first tab and extending from the first end to connect to the fourth terminal;
And a third tab extending from the second end for connection with the second and third terminals.

より好ましくは、一方の経路は、第1のタブと第2のタブとの間のバランスに沿って延在し、他方の経路は、第2のタブと第3のタブとの間のバランスに沿って延在する。より好ましくは、導電部分は金属トラックであり、抵抗部分は、金属トラックの間で橋渡しする抵抗器である。しかしながら、他の実施例において、抵抗部分は、1つ以上のアクティブ素子および1つ以上の抵抗器によって規定される。いくつかの実施例において、アクティブ素子は1つ以上の演算増幅器を含むことが認識されるであろう。   More preferably, one path extends along a balance between the first tab and the second tab, and the other path is in a balance between the second tab and the third tab. Extending along. More preferably, the conductive portion is a metal track and the resistive portion is a resistor that bridges between the metal tracks. However, in other embodiments, the resistive portion is defined by one or more active elements and one or more resistors. It will be appreciated that in some embodiments, the active device includes one or more operational amplifiers.

好ましい形態において、第1の、第2のおよび第3のタブは、基板に電気的に接続されて、基板が、第1のおよび第2の端子、ならびに第3のおよび第4の端子の間でそれぞれの抵抗経路を規定するようにする。より好ましくは、抵抗経路の抵抗は実質的に等しい。他の実施例において、抵抗経路の抵抗は時間が経つと変化する。好ましくは、抵抗は1つ以上のセルにわたる電圧に応じて変化する。   In a preferred form, the first, second and third tabs are electrically connected to the substrate such that the substrate is between the first and second terminals and the third and fourth terminals. To define each resistance path. More preferably, the resistance path resistance is substantially equal. In other embodiments, the resistance of the resistance path changes over time. Preferably, the resistance varies with the voltage across one or more cells.

好ましくは、バランスはセルの間に挟まれる。より好ましくは、バランスはセルの間に完全に挟まれる。   Preferably the balance is sandwiched between cells. More preferably, the balance is completely sandwiched between the cells.

いくつかの実施例において、バランスは1つ以上の薄板である。より好ましくは、板は非導電性接着剤でコーティングされる。さらにより好ましくは、板は薄板からなる。いくつかの実施例において、板は、第1の抵抗の2つの外層と、第1の抵抗よりもかなり大きい第2の抵抗の中間層とを含む。   In some embodiments, the balance is one or more sheets. More preferably, the plate is coated with a non-conductive adhesive. Even more preferably, the plate comprises a thin plate. In some embodiments, the plate includes two outer layers of a first resistance and an intermediate layer of a second resistance that is significantly greater than the first resistance.

好ましい形態において、一方のセルは、第1の端子および第2の端子を含み、第1の端子は装置の負端子を規定する。より好ましくは、他方のセルは、第3の端子および第4の端子を含み、第4の端子は装置の正端子を規定し、第2の端子は第3の端子に電気的に接続される。   In a preferred form, one cell includes a first terminal and a second terminal, the first terminal defining the negative terminal of the device. More preferably, the other cell includes a third terminal and a fourth terminal, the fourth terminal defining the positive terminal of the device, and the second terminal electrically connected to the third terminal. .

好ましくは、バランスは、セルが装着されるクレードルを含む。より好ましくは、クレ
ードルは、それぞれの経路を規定するための複数の抵抗部材を含む。さらにより好ましくは、各々の経路は、抵抗部分によって接続される分離した導電部分を含む。しかしながら、他の実施例において、経路は実質的に均一の抵抗性である。さらなる実施例において、抵抗経路の抵抗は、セルのうちの少なくとも1つにわたる電圧に応じて変化する。
Preferably, the balance includes a cradle on which the cell is mounted. More preferably, the cradle includes a plurality of resistance members for defining each path. Even more preferably, each path includes separate conductive portions connected by a resistive portion. However, in other embodiments, the path is substantially uniform resistance. In a further embodiment, the resistance of the resistance path varies depending on the voltage across at least one of the cells.

本発明の第2の局面に従うと、各々が2つの端子を含む2つのエネルギ貯蔵セルを有するエネルギ貯蔵装置が提供され、
一方のセルの端子の1つに接続された第1の接点と、
他方のセルの端子の1つに接続された第2の接点と、
他の端子に接続された第3の接点と、
装置の抵抗バランスを集合的に規定するために、第1の接点および第3の接点、ならびに第2の接点および第3の接点それぞれの間に延在する2つの抵抗経路とを含む。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an energy storage device having two energy storage cells each including two terminals,
A first contact connected to one of the terminals of one cell;
A second contact connected to one of the terminals of the other cell;
A third contact connected to the other terminal;
To collectively define the resistance balance of the device, it includes a first contact and a third contact, and two resistance paths extending between the second contact and the third contact, respectively.

好ましくは、バランスは基板に装着される。より好ましくは、基板は回路基板である。さらにより好ましくは、抵抗経路の抵抗は実質的に等しく、第1および第2の接点は板に固定して電気的に接続される。他の実施例において、抵抗経路は1つ以上のアクティブ素子によって規定される。好ましくは、アクティブ素子は回路基板に装着される。より好ましくは、アクティブ素子は回路基板に装着された表面である。   Preferably, the balance is attached to the substrate. More preferably, the substrate is a circuit board. Even more preferably, the resistances of the resistance paths are substantially equal and the first and second contacts are fixed and electrically connected to the plate. In other embodiments, the resistance path is defined by one or more active elements. Preferably, the active element is mounted on the circuit board. More preferably, the active element is a surface mounted on a circuit board.

好ましくは、バランスはセルの中間に配置される。より好ましくは、バランスはセルの間に挟まれる。より好ましくは、バランスは完全にセルの間に挟まれる。   Preferably, the balance is placed in the middle of the cell. More preferably, the balance is sandwiched between cells. More preferably, the balance is completely sandwiched between the cells.

好ましい形態において、第1の接点は装置の正端子を規定し、第2の接点は装置の負端子を規定する。より好ましくは、第3の接点は板に電気的に接続される。   In a preferred form, the first contact defines the positive terminal of the device and the second contact defines the negative terminal of the device. More preferably, the third contact is electrically connected to the plate.

好ましくは、装置は2つよりも多いセルを含む。   Preferably, the device includes more than two cells.

第3の局面に従うと、1つ以上のエネルギ貯蔵装置を含む回路基板が設けられ、このまたはこれらの装置は、本発明の第1の局面の抵抗バランスを含む。   According to a third aspect, a circuit board is provided that includes one or more energy storage devices, which or these devices comprise the resistance balance of the first aspect of the invention.

本発明の第4の局面に従うと、電気的に相互接続された複数の構成要素を支持するための回路基板が提供され、構成要素のうちの少なくとも1つは以下のものを有するエネルギ貯蔵装置であり、以下のものは、
少なくとも2つの直列に接続されたエネルギ貯蔵セルと、
それぞれのセルと並列な複数の抵抗経路を有する抵抗バランスとを有する。
According to a fourth aspect of the present invention, a circuit board is provided for supporting a plurality of electrically interconnected components, at least one of the components being an energy storage device having: And the following are
At least two energy storage cells connected in series;
Each cell and a resistance balance having a plurality of resistance paths in parallel.

一実施例において、抵抗経路はそれぞれの抵抗器によって規定される。しかしながら、他の実施例において、抵抗経路は、1つ以上のアクティブ素子によって少なくとも部分的に規定される。好ましくは、各抵抗経路は、1つ以上の抵抗器および1つ以上のアクティブ素子の組合せによって規定される。   In one embodiment, the resistance path is defined by a respective resistor. However, in other embodiments, the resistance path is defined at least in part by one or more active elements. Preferably, each resistance path is defined by a combination of one or more resistors and one or more active elements.

本発明の第5の局面に従うと、エネルギ貯蔵装置を含む電子的装置が提供され、エネルギ貯蔵装置は、
少なくとも2つの直列に接続されたエネルギ貯蔵セルと、
それぞれのセルと並列な複数の抵抗経路を有する抵抗バランスとを有する。
According to a fifth aspect of the present invention there is provided an electronic device including an energy storage device, the energy storage device comprising:
At least two energy storage cells connected in series;
Each cell and a resistance balance having a plurality of resistance paths in parallel.

一実施例において、抵抗経路は、それぞれの抵抗器によって規定される。しかしながら、他の実施例において、抵抗経路は1つ以上のアクティブ素子によって少なくとも部分的に規定される。好ましくは、各々の抵抗経路は、1つ以上の抵抗器および1つ以上のアクティブ素子の組合せによって規定される。   In one embodiment, the resistance path is defined by a respective resistor. However, in other embodiments, the resistance path is defined at least in part by one or more active elements. Preferably, each resistance path is defined by a combination of one or more resistors and one or more active elements.

本発明の第6の局面に従うと、少なくとも2つのエネルギ貯蔵セルを有するエネルギ貯蔵装置のクレードルが提供され、このクレードルはセルの中間に配置される。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an energy storage device cradle having at least two energy storage cells, the cradle being disposed in the middle of the cells.

好ましくは、一方のセルは、第1の端子および第2の端子を含み、第1の端子は、装置の負端子を規定する。より好ましくは、他方のセルは、第3の端子および第4の端子を含み、第4の端子は装置のための正端子を規定し、第2の端子は第3の端子に電気的に接続される。   Preferably, one cell includes a first terminal and a second terminal, the first terminal defining the negative terminal of the device. More preferably, the other cell includes a third terminal and a fourth terminal, the fourth terminal defining a positive terminal for the device, and the second terminal electrically connected to the third terminal. Is done.

好ましくは、クレードルは、
第1の端部および第2の端部の間に延在するフレームと、
第1の端子に接続するために第1の端部から延在する第1のタブと、
第1のタブから間隔をおき、かつ第4の端子に接続するために第1の端部から延在する第2のタブと、
第2のおよび第3の端子に接続するために、第2の端部から延在する第3のタブとを含む。より好ましくは、一方の経路は、第1のタブおよび第3のタブの間のクレードルに沿って延在し、他方の経路は、第2のタブおよび第3のタブの間のクレードルに沿って延在する。より好ましくは、導電部分は金属トラックであり、抵抗部分は金属トラックの間で橋渡しする抵抗器である。しかしながら、他の実施例において、抵抗経路は、少なくとも部分的に、1つ以上のアクティブ素子によって規定される。さらなる実施例において、抵抗経路は、1つ以上の抵抗器および1つ以上のアクティブ素子の組合せによって規定される。
Preferably, the cradle is
A frame extending between the first end and the second end;
A first tab extending from the first end to connect to the first terminal;
A second tab spaced from the first tab and extending from the first end to connect to the fourth terminal;
A third tab extending from the second end for connection to the second and third terminals. More preferably, one path extends along the cradle between the first tab and the third tab, and the other path extends along the cradle between the second tab and the third tab. Extend. More preferably, the conductive portion is a metal track and the resistive portion is a resistor that bridges between the metal tracks. However, in other embodiments, the resistance path is at least partially defined by one or more active elements. In a further embodiment, the resistance path is defined by a combination of one or more resistors and one or more active elements.

好ましい形態において、第1の、第2のおよび第3のタブは、基板に電気的に接続されて、基板が、第1のおよび第2の端子、ならびに第3のおよび第4の端子の間のそれぞれの抵抗経路を規定するようにする。より好ましくは、抵抗経路の抵抗は実質的に等しい。いくつかの実施例において、抵抗経路の抵抗は、1つ以上のセルにわたる電圧に応じて変化する。   In a preferred form, the first, second and third tabs are electrically connected to the substrate such that the substrate is between the first and second terminals and the third and fourth terminals. Each resistance path is defined. More preferably, the resistance path resistance is substantially equal. In some embodiments, the resistance of the resistance path varies depending on the voltage across one or more cells.

本発明の第7の局面に従うと、少なくとも2つの直列に接続されたエネルギ貯蔵セルを有するエネルギ貯蔵装置のためのクレードルが提供され、クレードルは、セルの中間に配置され、抵抗バランスを規定するためにそれぞれのセルと並列の複数の抵抗経路を有する。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a cradle for an energy storage device having at least two series connected energy storage cells, the cradle being arranged in the middle of the cell to define a resistance balance Have a plurality of resistance paths in parallel with the respective cells.

好ましくは、クレードルはセルの間に挟まれる。より好ましくは、クレードルは、セルの間から外部に延在するタブを含む。さらにより好ましくは、タブは、外部の電気的な構成要素へのセルの電気的接続を容易にする。好ましい実施例において、タブは回路基板への接続のために調整される。しかしながら、他の実施例において、タブは、外部の電気的な構成要素に直接接続するために調整される。   Preferably, the cradle is sandwiched between cells. More preferably, the cradle includes a tab extending outwardly between the cells. Even more preferably, the tab facilitates electrical connection of the cell to external electrical components. In the preferred embodiment, the tab is adjusted for connection to the circuit board. However, in other embodiments, the tabs are adjusted for direct connection to external electrical components.

好ましい形態において、一方のセルは、第1の端子および第2の端子を含み、第1の端子は装置の負端子を規定する。より好ましくは、他方のセルは、第3の端子および第4の端子を含み、第4の端子は装置のための正端子を規定し、第2の端子は第3の端子に電気的に接続される。   In a preferred form, one cell includes a first terminal and a second terminal, the first terminal defining the negative terminal of the device. More preferably, the other cell includes a third terminal and a fourth terminal, the fourth terminal defining a positive terminal for the device, and the second terminal electrically connected to the third terminal. Is done.

好ましくは、クレードルは、それぞれの経路を規定するための複数の抵抗部材を含む。より好ましくは、各々の経路は、抵抗部分によって接続される分離した導電部分を含む。しかしながら、他の実施例において、経路は実質的に均一の抵抗性を有する。他の実施例において、抵抗部材は、1つ以上の抵抗器および1つ以上のアクティブ素子のうちの1つまたはその組合せを含む。   Preferably, the cradle includes a plurality of resistance members for defining respective paths. More preferably, each path includes separate conductive portions connected by a resistive portion. However, in other embodiments, the path has a substantially uniform resistance. In other embodiments, the resistive member includes one or a combination of one or more resistors and one or more active elements.

本発明の第8の局面に従うと、各々が2つの端子を含む2つのエネルギ貯蔵セルを有するエネルギ貯蔵装置のクレードルが提供され、クレードルは、
一方のセルの端子のうちの1つに接続された第1の接点と、
他方のセルの端子のうちの1つに接続された第2の接点と、
他の端子に接続された第3の接触とを含む。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an energy storage device cradle having two energy storage cells, each including two terminals, the cradle comprising:
A first contact connected to one of the terminals of one cell;
A second contact connected to one of the terminals of the other cell;
And a third contact connected to the other terminal.

好ましくは、クレードルは、接点を電気的に相互接続するための基板に装着される。より好ましくは、基板は回路基板である。さらにより好ましくは、接点は電気的に相互接続されて、基板が第1のおよび第3の接点ならびに第2のおよび第3の接点の間でそれぞれの抵抗経路を規定するようにする。好ましい実施例において、抵抗経路の抵抗は実質的に等しい。他の実施例において、抵抗経路の抵抗は、セルのうちの少なくとも1つにわたる電圧に応じて変化する。   Preferably, the cradle is mounted on a substrate for electrically interconnecting the contacts. More preferably, the substrate is a circuit board. Even more preferably, the contacts are electrically interconnected so that the substrate defines respective resistance paths between the first and third contacts and the second and third contacts. In the preferred embodiment, the resistance of the resistance path is substantially equal. In other embodiments, the resistance of the resistance path varies in response to a voltage across at least one of the cells.

好ましくは、クレードルはセルの中間に配置される。   Preferably, the cradle is placed in the middle of the cell.

好ましい形態において、第1の接点は装置の正端子を規定し、第2の接点は装置の負端子を規定する。より好ましくは、第3の接点は基板に電気的に接続される。   In a preferred form, the first contact defines the positive terminal of the device and the second contact defines the negative terminal of the device. More preferably, the third contact is electrically connected to the substrate.

本発明の第9の実施例に従うと、少なくとも2つの直列に接続されたエネルギ貯蔵装置の抵抗バランスが与えられ、バランスは、装置と並列に接続され、装置をバランスのとれた状態にするための高電力消費モードと、装置がバランスのとれた状態にあるときの低電力消費モードとを有する。   According to a ninth embodiment of the present invention, a resistance balance of at least two series connected energy storage devices is provided, and the balance is connected in parallel with the device to bring the device into a balanced state. It has a high power consumption mode and a low power consumption mode when the device is in a balanced state.

好ましくは、各々の装置はそれにわたって電圧を有し、バランスのとれた状態で、装置にわたる電圧は実質的に等しい。いくつかの実施例において、バランスのとれた状態の装置にわたる電圧は、予め定められたしきい値よりもわずかに異なる。たとえば、いくつかの実施例において、しきい値は約0.5ボルトである。しかしながら、他の実施例において代替のしきい値が用いられる。   Preferably, each device has a voltage across it, and in a balanced manner, the voltages across the devices are substantially equal. In some embodiments, the voltage across the balanced device is slightly different than a predetermined threshold. For example, in some embodiments, the threshold is about 0.5 volts. However, alternative threshold values are used in other embodiments.

好ましくは、エネルギ貯蔵装置はキャパシタである。   Preferably, the energy storage device is a capacitor.

一実施例において、低いモードにおいて、バランスによって消費される電力は、高いモードにおけるバランスによって消費される電力の10%未満である。   In one embodiment, in the low mode, the power consumed by the balance is less than 10% of the power consumed by the balance in the high mode.

好ましくは、各々の装置は並列の複数のキャパシタを含む。いくつかの実施例において、各々の装置は、並列および/または直列の複数のキャパシタを含む。   Preferably, each device includes a plurality of capacitors in parallel. In some embodiments, each device includes a plurality of capacitors in parallel and / or in series.

好ましくは、バランスは、2つよりも多い直列に接続された装置と並列に接続される。いくつかの実施例において、バランスは10よりも多い直列に接続された装置とカスケードされる。しかしながら、本発明の実施例は、典型的に低い電圧の回路に適用されるため、10よりも少ない直列に接続された装置が用いられる。   Preferably, the balance is connected in parallel with more than two devices connected in series. In some embodiments, the balance is cascaded with more than 10 devices connected in series. However, since embodiments of the present invention are typically applied to low voltage circuits, fewer than 10 devices connected in series are used.

好ましくは、バランスは2つのモードの間で切替る。より好ましくは、バランスは、装置が予め定められた量だけバランスのとれた状態から進むまで低いモードに保たれる。しかしながら、他の実施例において、バランスは1つのモードから他のモードに漸進的に移動する。   Preferably, the balance switches between the two modes. More preferably, the balance is kept in a low mode until the device proceeds from a balanced state by a predetermined amount. However, in other embodiments, the balance gradually moves from one mode to another.

好ましい形態において、装置の各々は2つの端子を含み、これらの端子のうちの1つは正端子を規定し、別の端子は負端子を規定し、2つの残余の端子は共通の端子を規定する
。より好ましくは、バランスは、低いモードおよび高いモードの間のバランスを切替えるために端子間の電流経路を選択的に規定するための、正端子、共通の端子および負端子に接続されたスイッチング装置を含む。
In a preferred form, each of the devices includes two terminals, one of these terminals defining a positive terminal, another terminal defining a negative terminal, and the two remaining terminals defining a common terminal. To do. More preferably, the balance comprises a switching device connected to the positive terminal, the common terminal and the negative terminal for selectively defining a current path between the terminals to switch the balance between the low mode and the high mode. Including.

好ましくは、スイッチング装置は、低いモードおよび高いモードの間でいつ切替えるかを決定するために、正端子および共通の端子の間の電圧、ならびに負端子および共通の端子の間の電圧に応答する。他の実施例において、スイッチング装置は、正端子および負端子の間の電圧に応答する。   Preferably, the switching device is responsive to the voltage between the positive terminal and the common terminal and the voltage between the negative terminal and the common terminal to determine when to switch between the low mode and the high mode. In other embodiments, the switching device is responsive to the voltage between the positive and negative terminals.

本発明の第10の局面に従うと、少なくとも2つの直列に接続されたエネルギ貯蔵装置のための抵抗バランスが与えられ、バランスは、装置に並列に接続され、装置をバランスのとれた状態にするための低い抵抗モードと、装置がバランスのとれた状態であるときの高い抵抗モードとを有する。   According to a tenth aspect of the present invention, a resistance balance is provided for at least two serially connected energy storage devices, the balance being connected in parallel to the device to bring the device into a balanced state. Low resistance mode and high resistance mode when the device is in a balanced state.

好ましくは、装置は、それぞれの等価の並列抵抗(EPR)およびバランスを有し、高い抵抗モードにおいて、各々の装置と並列な効果的な抵抗を与え、効果的な抵抗はそれぞれのEPRよりも高い。より好ましくは、効果的な抵抗は、それぞれのEPRよりも少なくとも10倍高い。さらにより好ましくは、効果的な抵抗は、それぞれのEPRよりも少なくとも100倍高い。   Preferably, the devices have their respective equivalent parallel resistance (EPR) and balance to provide an effective resistance in parallel with each device in a high resistance mode, the effective resistance being higher than the respective EPR. . More preferably, the effective resistance is at least 10 times higher than the respective EPR. Even more preferably, the effective resistance is at least 100 times higher than the respective EPR.

好ましくは、低い抵抗モードにおいて、高い電圧における装置にわたる効果的な抵抗は、それぞれのEPRよりも低い。より好ましくは、効果的な抵抗はそれぞれのEPRよりも少なくとも10倍低い。さらにより好ましくは、効果的な抵抗はそれぞれのEPRよりも少なくとも100倍低い。しかしながら、他の実施例において、効果的な抵抗はそれぞれのEPRよりも少なくとも106倍低い。 Preferably, in the low resistance mode, the effective resistance across the device at high voltage is lower than the respective EPR. More preferably, the effective resistance is at least 10 times lower than the respective EPR. Even more preferably, the effective resistance is at least 100 times lower than the respective EPR. However, in other embodiments, the effective resistance is at least 10 6 times lower than the respective EPR.

本明細書で用いられる「キャパシタ」という言葉は、内部の電荷分離およびしたがって内部の電界を有するいかなるパッシブな電荷蓄積装置のことも指す。典型的に、このような装置は漏れ電流を有する。これは、電解キャパシタ、炭素二重層キャパシタ(それ以外にスーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタ等として知られている)を含む。スーパーキャパシタまたはキャパシタを参照する場合に、文脈で特に明らかに必要とされない限り、これは、1つのこのような電荷蓄積装置または並列に接続された複数のこのような装置を含むことが理解されるであろう。   As used herein, the term “capacitor” refers to any passive charge storage device having an internal charge separation and thus an internal electric field. Typically such devices have leakage current. This includes electrolytic capacitors, carbon double layer capacitors (otherwise known as supercapacitors, ultracapacitors, etc.). When referring to a supercapacitor or capacitor, it is understood that this includes one such charge storage device or a plurality of such devices connected in parallel, unless the context clearly requires otherwise. Will.

本発明の第11の局面に従うと、以下のものを含む電気的装置が提供され、以下のものは、
予め定められた機能性を与えるための回路と、
電力を回路に与えるための供給レールと、
供給レールにエネルギを供給するためのエネルギ貯蔵装置と、
レールと並列に接続された複数の直列に接続されたキャパシタと、
キャパシタと並列に接続され、かつキャパシタをバランスのとれた状態にするための低い抵抗モードと、キャパシタがバランスのとれた状態にあるときの高い抵抗モードとを有する電圧バランス装置とを含む。
According to an eleventh aspect of the present invention there is provided an electrical device comprising:
A circuit for providing predetermined functionality;
A supply rail to power the circuit;
An energy storage device for supplying energy to the supply rail;
A plurality of series-connected capacitors connected in parallel with the rail;
And a voltage balance device connected in parallel with the capacitor and having a low resistance mode for placing the capacitor in a balanced state and a high resistance mode when the capacitor is in a balanced state.

好ましくは、予め定められた機能性は無線送信を含む。   Preferably, the predetermined functionality includes wireless transmission.

本発明の第12の局面に従うと、負荷電圧を経験するエネルギ貯蔵装置のための電圧バランスが提供され、バランスは、装置と並列に接続され、装置のうちの少なくとも1つを部分的に放電するための負荷電圧の予め定められた値に応答する。   According to a twelfth aspect of the present invention, a voltage balance is provided for an energy storage device that experiences a load voltage, the balance being connected in parallel with the device and partially discharging at least one of the devices. Responsive to a predetermined value of the load voltage for.

好ましくは、抵抗器を通して放電が生じる。すなわち、バランスは、エネルギ貯蔵装置を部分的に放電するための高電力消費モードと、そうでなければ低電力消費モードとを有する。   Preferably, a discharge occurs through the resistor. That is, the balance has a high power consumption mode for partially discharging the energy storage device and a low power consumption mode otherwise.

好ましくは、バランスは、対応する複数の直列に接続されたエネルギ貯蔵装置の電圧バランスを与えるための複数の同様のバランスと直列に接続される。   Preferably, the balance is connected in series with a plurality of similar balances to provide a voltage balance of the corresponding plurality of series connected energy storage devices.

好ましい形態において、バランスは、
負荷電圧から導かれる分割された電圧を与えるために装置に並列して接続された抵抗分割器と、
消散抵抗器と、
参照電圧、分割器電圧に応答する入力、および消散抵抗器に接続された出力を有するスイッチとを含み、スイッチは、消散抵抗器における電流の流れがエネルギ貯蔵装置を部分的に放電するのを可能にするための参照電圧よりも高い分割器電圧に応答する。
In a preferred form, the balance is
A resistor divider connected in parallel to the device to provide a divided voltage derived from the load voltage;
A dissipation resistor;
A switch having a reference voltage, an input responsive to the divider voltage, and an output connected to the dissipation resistor, the switch allowing a current flow in the dissipation resistor to partially discharge the energy storage device Respond to a divider voltage higher than the reference voltage for

好ましくは、消散抵抗器は0よりも大きな抵抗を有する。   Preferably, the dissipation resistor has a resistance greater than zero.

好ましくは、スイッチは演算増幅器である。より好ましくは、スイッチは、比較器として構成されるMAX9117演算増幅器である。しかしながら、他の実施例において、代替の増幅器および代替的に構成された増幅器が用いられる。   Preferably, the switch is an operational amplifier. More preferably, the switch is a MAX 9117 operational amplifier configured as a comparator. However, in other embodiments, alternative amplifiers and alternatively configured amplifiers are used.

本発明の第13の局面に従うと、装置電圧を経験するエネルギ貯蔵装置の電圧バランスが与えられ、バランスは、装置電圧を予め定められたしきい値よりも低く維持するためにエネルギ貯蔵装置に並列に接続される。   According to a thirteenth aspect of the present invention, a voltage balance is provided for an energy storage device that experiences device voltage, the balance being parallel to the energy storage device to maintain the device voltage below a predetermined threshold. Connected to.

好ましくは、装置電圧は、エネルギ貯蔵装置を部分的に放電することによってしきい値よりも低く維持される。より好ましくは、バランスは、消散抵抗器と、キャパシタが抵抗器を通って部分的に放電するのを可能にするためのキャパシタ電圧の予め定められた値に応答する可変抵抗装置とを含む。さらにより好ましくは、消散レジスタは0よりも大きな電圧を有する。   Preferably, the device voltage is maintained below the threshold by partially discharging the energy storage device. More preferably, the balance includes a dissipation resistor and a variable resistance device responsive to a predetermined value of the capacitor voltage to allow the capacitor to partially discharge through the resistor. Even more preferably, the dissipation resistor has a voltage greater than zero.

好ましくは、可変抵抗装置は以下のものを有する演算増幅器であり、以下のものは、
内部電圧参照と、
装置電圧に応答する入力電圧と、
消散抵抗器に印加される出力電圧と、
出力電圧およびしたがって抵抗器における電流の流れを決定するために、入力および内部参照電圧に応答する比較器とを有する。
Preferably, the variable resistance device is an operational amplifier having:
Internal voltage reference,
An input voltage responsive to the device voltage;
The output voltage applied to the dissipation resistor; and
A comparator responsive to the input and internal reference voltage to determine the output voltage and thus the current flow in the resistor.

本発明の第14の局面に従うと、以下のものを含む電気的装置が提供され、以下のものは、
予め定められた機能性を与えるための回路と、
電力を回路に与えるための供給レールと、
供給レールにエネルギを供給するためのエネルギ貯蔵装置と、
レールに並列に接続され、かつそれぞれのキャパシタ電圧を経験する複数の直列に接続されたキャパシタと、
それぞれのキャパシタを部分的に放電するためにキャパシタ電圧の予め定められた値に応答する電圧バランスとを含む。
According to a fourteenth aspect of the present invention there is provided an electrical device comprising:
A circuit for providing predetermined functionality;
A supply rail to power the circuit;
An energy storage device for supplying energy to the supply rail;
A plurality of series connected capacitors connected in parallel to the rail and experiencing respective capacitor voltages;
A voltage balance responsive to a predetermined value of the capacitor voltage to partially discharge each capacitor.

本発明の第15の局面に従うと、それぞれの漏れ電流を有する少なくとも2つの直列に接続されたエネルギ貯蔵装置のための電圧バランスが提供され、バランスは、装置と並列
に接続され、漏れ電流の差に実質的に等しい消散電流を生じるための装置にわたる電圧の差に応答する。
According to a fifteenth aspect of the present invention, a voltage balance is provided for at least two series-connected energy storage devices having respective leakage currents, the balance being connected in parallel with the device and the difference in leakage currents. In response to a voltage difference across the device to produce a dissipation current substantially equal to.

好ましくは、消散電流は抵抗器を通って流れる。より好ましくは、バランスは、参照電圧を与えるための抵抗分割器と、消散電流を生成するための参照電圧に応答する電圧フォロアとを含む。   Preferably, the dissipated current flows through the resistor. More preferably, the balance includes a resistive divider for providing a reference voltage and a voltage follower responsive to the reference voltage for generating a dissipated current.

好ましくは、バランスは、nのエネルギ貯蔵装置で使用するためのものであり、ここでn≧2および抵抗分割器は(n−1)の参照電圧を与え、バランスは、消散電流を生成するためのそれぞれの(n−1)の参照電圧に応答する(n−1)の電圧フォロアを含む。より好ましくは、消散電流は、エネルギ貯蔵装置によって与えられる、最も高いおよび最も低い漏れ電流の間の差に実質的に等しい。   Preferably, the balance is for use with n energy storage devices, where n ≧ 2 and the resistive divider provides a reference voltage of (n−1), and the balance generates a dissipated current. Includes (n-1) voltage followers responsive to each (n-1) reference voltage. More preferably, the dissipation current is substantially equal to the difference between the highest and lowest leakage current provided by the energy storage device.

本発明の第16の局面に従うと、エネルギ貯蔵装置のための電圧バランスが与えられ、バランスは、
装置にわたる電圧と制御信号を与えるための参照電圧とに応答する比較器と、
装置にわたる電圧を予め定められた値よりも低く維持するために、装置を部分的に放電するために制御信号に応答する放電回路とを含む。
According to a sixteenth aspect of the present invention, a voltage balance is provided for the energy storage device,
A comparator responsive to a voltage across the device and a reference voltage for providing a control signal;
A discharge circuit responsive to the control signal to partially discharge the device to maintain the voltage across the device below a predetermined value.

好ましくは、予め定められた値は参照電圧から得られる。より好ましくは、予め定められた値は参照電圧に等しい。しかしながら、他の実施例において、予め定められた値は参照電圧の固定された割合である。   Preferably, the predetermined value is obtained from the reference voltage. More preferably, the predetermined value is equal to the reference voltage. However, in other embodiments, the predetermined value is a fixed percentage of the reference voltage.

好ましくは、バランスにわたる電圧は、供給電圧を与える電力供給によって与えられ、参照電圧は供給電圧から独立している。   Preferably, the voltage across the balance is provided by a power supply that provides the supply voltage and the reference voltage is independent of the supply voltage.

好ましい形態において、エネルギ貯蔵装置を放電するおよび放電しないときにバランスによって消費される電力の比率は少なくとも10対1である。より好ましくは、この比率は少なくとも100対1である。   In a preferred form, the ratio of power consumed by the balance when discharging and not discharging the energy storage device is at least 10: 1. More preferably, this ratio is at least 100 to 1.

本発明の第17の局面に従うと、複数の直列に接続されたエネルギ貯蔵装置のための電圧バランスが提供され、バランスは、それぞれのエネルギ貯蔵装置と並列に接続された第15の局面の複数のバランスを含む。   According to a seventeenth aspect of the present invention, a voltage balance is provided for a plurality of serially connected energy storage devices, wherein the balance is a plurality of the fifteenth aspect connected in parallel with each energy storage device. Including balance.

本発明の第18の局面に従うと、2つのエネルギ貯蔵セルを含むエネルギ貯蔵装置が提供され、このセルは、直列に接続され、使用中に等価になるようにバイアスをかけられるそれぞれのセル電圧を有する。   According to an eighteenth aspect of the present invention, there is provided an energy storage device comprising two energy storage cells, the cells connected in series and having respective cell voltages biased to be equivalent during use. Have.

本発明の第19の局面に従うと、2つのエネルギ貯蔵セルを含むエネルギ貯蔵装置が提供され、セルは直列に接続され、使用中に予め定められた値へとバイアスをかけられるそれぞれのセル電圧を有する。   According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided an energy storage device comprising two energy storage cells, wherein the cells are connected in series and each cell voltage biased to a predetermined value during use. Have.

好ましくは、予め定められた値は等しい。   Preferably, the predetermined values are equal.

一実施例において、装置は2つよりも多いセルを含む。好ましくは、すべてのセルは直列に接続される。しかしながら、いくつかの実施例において、セルのうちの少なくとも1つは別のセルと並列に接続される。   In one embodiment, the device includes more than two cells. Preferably all the cells are connected in series. However, in some embodiments, at least one of the cells is connected in parallel with another cell.

好ましくは、装置は2つの直列に接続されたセルを含み、以下の特徴のうちの1つまたはその組合せを有し、以下の特徴は、
約5mm未満の厚さと、
突出した端子を含まない約700mm2未満の設置面積と、
約3ml未満の体積と、
約400mΩ未満のESRと、
約700mm.mΩ未満のESRおよび厚さの積と、
約350ml.mΩ未満のESRおよび体積の積と、
約0.03ファラドよりも大きなDC静電容量と、
約5グラム未満の重量と、
約1.8ボルトよりも高い動作電圧と、
約0.23秒未満の時定数と、
約1.5秒未満の応答時間(T0)と、
約2.1kW/kgよりも高い重量測定のFOMと、
約6.6kW/kgよりも高い重量測定の電力密度と、
約0.08Wh/kgよりも高い重量測定のエネルギ密度と、
約3.2kW/リットルよりも高い体積測定のFOMと、
約10kW/リットルよりも高い体積測定の電力密度と、
約0.1Wh/リットルよりも高い体積測定のエネルギ密度とを有する。
Preferably, the device comprises two serially connected cells and has one or a combination of the following features:
A thickness of less than about 5 mm;
An installation area of less than about 700 mm 2 that does not include protruding terminals;
A volume of less than about 3 ml;
An ESR of less than about 400 mΩ,
About 700 mm. the product of ESR and thickness less than mΩ,
About 350 ml. the product of ESR and volume less than mΩ,
A DC capacitance greater than about 0.03 Farad;
A weight of less than about 5 grams;
An operating voltage higher than about 1.8 volts,
A time constant of less than about 0.23 seconds;
A response time (T 0 ) of less than about 1.5 seconds;
A weight measuring FOM higher than about 2.1 kW / kg;
A gravimetric power density greater than about 6.6 kW / kg;
A gravimetric energy density greater than about 0.08 Wh / kg;
A volumetric FOM higher than about 3.2 kW / liter;
A volumetric power density higher than about 10 kW / liter;
Having a volumetric energy density greater than about 0.1 Wh / liter.

好ましくは、厚さは4.5mm未満である。より好ましくは、厚さは約2.5mm未満であり、さらにより好ましくは約2.1mm未満である。   Preferably the thickness is less than 4.5 mm. More preferably, the thickness is less than about 2.5 mm, and even more preferably less than about 2.1 mm.

好ましい形態において、突出した端子を除く設置面積は、約17mm×28.5mm未満またはそれに等しい。   In a preferred form, the footprint excluding protruding terminals is less than or equal to about 17 mm × 28.5 mm.

好ましくは、ESRおよび厚さの積が300mm.mΩ未満である。より好ましくは、ESRおよび厚さの積が約200mm.mΩ未満である。さらにより好ましくは、ESRおよび厚さの積が約100mm.mmΩ未満である。   Preferably, the product of ESR and thickness is 300 mm. Less than mΩ. More preferably, the product of ESR and thickness is about 200 mm. Less than mΩ. Even more preferably, the product of ESR and thickness is about 100 mm. It is less than mmΩ.

好ましい形態において、ESRおよび体積の積は約200ml.mΩ未満である。より好ましくは、ESRおよび体積の積は、約100ml.mΩ未満である。   In a preferred form, the product of ESR and volume is about 200 ml. Less than mΩ. More preferably, the product of ESR and volume is about 100 ml. Less than mΩ.

好ましくは、体積は約2ml未満である。他の実施例において、体積は約1ml未満である。   Preferably, the volume is less than about 2 ml. In other embodiments, the volume is less than about 1 ml.

好ましくは、ESRは約100mΩ未満である。より好ましくは、ESRは約60mΩ未満である。   Preferably, the ESR is less than about 100 mΩ. More preferably, the ESR is less than about 60 mΩ.

好ましくは、DC静電容量は0.1ファラドよりも大きい。より好ましくは、DC静電容量は約0.5ファラドよりも高い。さらにより好ましくは、DC静電容量は約1ファラドよりも高い。   Preferably, the DC capacitance is greater than 0.1 farad. More preferably, the DC capacitance is greater than about 0.5 farads. Even more preferably, the DC capacitance is greater than about 1 farad.

好ましい形態において、重量は約4グラム未満である。より好ましくは、重量は約2グラム未満である。   In a preferred form, the weight is less than about 4 grams. More preferably, the weight is less than about 2 grams.

好ましくは、動作電圧は約2ボルトよりも高い。より好ましくは、動作電圧は約3ボルトよりも高い。さらにより好ましくは、動作電圧は約4ボルトよりも高い。   Preferably, the operating voltage is greater than about 2 volts. More preferably, the operating voltage is greater than about 3 volts. Even more preferably, the operating voltage is greater than about 4 volts.

好ましくは、時定数は約0.1秒未満である。より好ましくは、時定数は約0.03秒未満である。さらにより好ましくは、時定数は約0.01秒未満である。   Preferably, the time constant is less than about 0.1 seconds. More preferably, the time constant is less than about 0.03 seconds. Even more preferably, the time constant is less than about 0.01 seconds.

好ましくは、応答時間(T0)は約1秒未満である。より好ましくは、応答時間(T0)は約0.2秒未満である。 Preferably, the response time (T 0 ) is less than about 1 second. More preferably, the response time (T 0 ) is less than about 0.2 seconds.

好ましくは、重量測定のFOMは約3.4kW/kgよりも高く、より好ましくは約5kW/kgよりも高い。さらにより好ましくは、重量測定のFOMは約10kW/kgよりも高い。   Preferably, the gravimetric FOM is greater than about 3.4 kW / kg, more preferably greater than about 5 kW / kg. Even more preferably, the gravimetric FOM is greater than about 10 kW / kg.

好ましくは、重量測定の電力密度は約10kW/kgよりも高く、より好ましくは約15kW/kgよりも高い。さらにより好ましくは、重量測定のFOMは約30kW/kgよりも高い。   Preferably, the gravimetric power density is greater than about 10 kW / kg, more preferably greater than about 15 kW / kg. Even more preferably, the gravimetric FOM is greater than about 30 kW / kg.

好ましい形態において、重量測定のエネルギ密度は約1Wh/kgよりも高く、より好ましくは約2Wh/kgよりも高い。   In a preferred form, the gravimetric energy density is greater than about 1 Wh / kg, more preferably greater than about 2 Wh / kg.

好ましくは、体積測定のFOMは5kW/リットルよりも高く、より好ましくは約8kW/リットルよりも高い。さらにより好ましくは、体積測定のFOMは約20kW/リットルよりも高い。   Preferably, the volumetric FOM is higher than 5 kW / liter, more preferably higher than about 8 kW / liter. Even more preferably, the volumetric FOM is greater than about 20 kW / liter.

好ましくは、体積測定の電力密度は、16kW/リットルよりも高く、より好ましくは、約25kW/リットルよりも高い。さらにより好ましくは、体積測定の出力密度は約50kW/リットルよりも高い。   Preferably, the volumetric power density is higher than 16 kW / liter, more preferably higher than about 25 kW / liter. Even more preferably, the volumetric power density is greater than about 50 kW / liter.

好ましくは、体積測定のエネルギ密度は約1Wh/リットルよりも高い。より好ましくは、体積測定のエネルギ密度は約2Wh/リットルよりも高い。   Preferably, the volumetric energy density is greater than about 1 Wh / liter. More preferably, the volumetric energy density is greater than about 2 Wh / liter.

いくつかの実施例において、装置は、等価に向かう電圧バイアスを与えるためにセルとともに装着されるバランスを含む。1つのこのような実施例は、それぞれのセルに並列に延在する抵抗経路を含む。   In some embodiments, the device includes a balance that is attached with the cell to provide an equivalently directed voltage bias. One such embodiment includes a resistive path that extends in parallel to each cell.

本発明の第20の局面に従うと、エネルギ貯蔵装置が提供され、この装置は、
直列に接続された2つのエネルギ貯蔵セルを含み、各々のセルは使用中にそれぞれのセル電圧にさらされ、上記装置はさらに、
セルを電気的に接続し、かつ等価にするためにセル電圧にバイアスをかけるためのバランスを含む。
According to a twentieth aspect of the present invention, an energy storage device is provided, the device comprising:
Including two energy storage cells connected in series, each cell being exposed to a respective cell voltage during use, the apparatus further comprising:
Includes a balance to bias the cell voltage to electrically connect and equalize the cells.

好ましくは、セルは動作電圧を有する。より好ましくは、動作電圧は実質的に等しい。さらにより好ましくは、動作電圧は約2.3ボルトよりも高い。より好ましくは、動作電圧は約2.5ボルトよりも高い。さらにより好ましくは、動作電圧は約2.7ボルトよりも高い。同様に好ましくは、動作電圧は約5ボルト未満である。   Preferably, the cell has an operating voltage. More preferably, the operating voltages are substantially equal. Even more preferably, the operating voltage is greater than about 2.3 volts. More preferably, the operating voltage is greater than about 2.5 volts. Even more preferably, the operating voltage is greater than about 2.7 volts. Likewise preferably, the operating voltage is less than about 5 volts.

好ましくは、バランスは、それぞれの動作電圧よりも低いセル電圧を含む。   Preferably, the balance includes a cell voltage that is lower than the respective operating voltage.

好ましい形態において、装置は2つよりも多いエネルギ貯蔵セルを含む。   In a preferred form, the device includes more than two energy storage cells.

本発明の第21の局面に従うと、各々が2つの端子を含む複数のエネルギ貯蔵セルを有するエネルギ貯蔵装置が提供され、隣接する端子は、セルを直列に接続するために接合部で係合され、
直列のセルの第1番目の端子のうちの1つに接続される第1の接点と、
直列のセルの最後の端子のうちの1つに接続される第2の接点と、
それぞれの接合物に接続される少なくとも1つの中間接点と、
装置の抵抗バランスを集合的に規定するために接点の間に延在する抵抗経路とを含む。
According to a twenty-first aspect of the present invention, there is provided an energy storage device having a plurality of energy storage cells, each including two terminals, wherein adjacent terminals are engaged at a junction to connect the cells in series. ,
A first contact connected to one of the first terminals of the series cells;
A second contact connected to one of the last terminals of the series cells;
At least one intermediate contact connected to each joint;
And a resistance path extending between the contacts to collectively define the resistance balance of the device.

好ましくは、抵抗経路のうちの少なくとも1つは、導電部分と抵抗部分とを含む。より好ましくは、抵抗部分は抵抗器を含む。さらにより好ましくは、抵抗部分は抵抗器を含む。他の実施例において、抵抗部分は1つ以上のアクティブ素子を含む。さらなる実施例において、抵抗部分は、1つ以上のアクティブ素子および1つ以上のパッシブ素子の組合せを含む。好ましくは、アクティブ素子は、演算増幅器、ダイオード、トランジスタおよび別のアクティブな装置のうちの1つ以上を含む。好ましくは、パッシブ素子は、抵抗器、キャパシタおよび別のパッシブ素子のうちの1つ以上を含む。   Preferably, at least one of the resistance paths includes a conductive portion and a resistance portion. More preferably, the resistive portion includes a resistor. Even more preferably, the resistive portion includes a resistor. In other embodiments, the resistive portion includes one or more active elements. In a further embodiment, the resistive portion includes a combination of one or more active elements and one or more passive elements. Preferably, the active element includes one or more of an operational amplifier, a diode, a transistor and another active device. Preferably, the passive element includes one or more of a resistor, a capacitor and another passive element.

ここで本発明の好ましい実施例が、添付の付録および図面を参照して例示的にのみ記載される。   Preferred embodiments of the present invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying appendix and drawings.

付録1は、本発明の実施例で使用するのに好適な1組の例示のスーパーキャパシタを特徴とする。   Appendix 1 features a set of exemplary supercapacitors suitable for use in embodiments of the present invention.

好ましい実施例の説明
スーパーキャパシタで用いられるエネルギ貯蔵セルは、他の電子的構成要素と同様に、典型的に大量に製造される。すべての大量の生産品は、いくつかの妥協点および製造される装置の重要な特性における許容差の受容を含む。これは超容量性セルについても同じである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The energy storage cells used in supercapacitors are typically manufactured in large quantities, as are other electronic components. All high volume products contain some compromises and acceptance of tolerances in key characteristics of the equipment being manufactured. The same is true for supercapacitive cells.

図1から6を参照すると、スーパーキャパシタで使用するための、大量生産された名目上同様のセルの一群のさまざまなパラメータの分布を示すそれぞれのヒストグラムが示される。図示された分布は典型的なものであるが、製造中の思いつきおよびサンプルサイズを含むさまざまな要素に応じて、一群間でばらつきが生じることが認識されるであろう。他の性能パラメータについての同様の分布がある。これらのパラメータの一部は、他のものより厳しい許容差内で制御するのがより経済的であるが、厳密な一致は期待されず、達成することができない。   Referring to FIGS. 1-6, respective histograms showing the distribution of various parameters of a group of nominally similar cells that are mass produced for use in a supercapacitor are shown. While the distribution shown is typical, it will be appreciated that variations may occur between groups depending on various factors, including manufacturing inception and sample size. There are similar distributions for other performance parameters. Some of these parameters are more economical to control within tighter tolerances than others, but exact matches are not expected and cannot be achieved.

直列に接続するためにセルを整合させるときに、よく整合される1つの典型的なパラメータは、数十時間という期間の後の漏れ電流(IL)である。これは、ILにおける変化がセルのEPRの対応する割合のばらつきを与えるからである。たとえば、図1において、標準偏差は平均値の17%であり、これは、(付録1の例1のスーパーキャパシタを形成するために組合された)任意に組合されたセルが、平均してEPRにおける対応する割合のばらつきを有することを示している。典型的なEPRが約12MΩであるときに、±1の標準偏差の間に4MΩの差がある。一方で図4において、この図は、使用中に付録1の例2のスーパーキャパシタを形成するために直列に組合されたセルの一群のデータであり、標準偏差は平均値の67%である。したがって、この後者の一群はEPRにおけるかなり大きなばらつきをもたらす。 One typical parameter that is well matched when matching cells to connect in series is leakage current (I L ) after a period of tens of hours. This is because the change in I L gives a corresponding percentage variation in the EPR of the cell. For example, in FIG. 1, the standard deviation is 17% of the average, which means that arbitrarily combined cells (combined to form the supercapacitor of Example 1 of Appendix 1) averaged EPR. It has shown that it has the dispersion | variation of the corresponding ratio in. When a typical EPR is about 12 MΩ, there is a 4 MΩ difference between the standard deviations of ± 1. On the other hand, in FIG. 4, this figure is a group of data combined in series to form the supercapacitor of Example 2 of Appendix 1 during use, with a standard deviation of 67% of the average value. This latter group therefore results in a fairly large variation in EPR.

図2および3は、2つのセルが例1のスーパーキャパシタのために選択されたセルのそれぞれの静電容量およびESRの分布を示している。図5および6は、例2のスーパーキャパシタのための2つのセルが選択されたセルの対応する分布を示している。これらの図の各々は、同一のセルの理想的な整合を達成する際に生じた実際的な問題点を示している。   2 and 3 show the respective capacitance and ESR distributions of the cells where two cells were selected for the supercapacitor of Example 1. FIG. FIGS. 5 and 6 show the corresponding distribution of cells in which two cells for the supercapacitor of Example 2 were selected. Each of these figures illustrates a practical problem that has occurred in achieving ideal alignment of the same cell.

図7は、名目上同様の装置間の電荷蓄積電流において通常、差が存在することを示している。電流の一般的な特徴は、これらが特定のセルに関して約48時間を超えてほぼ指数
関数的に減衰するという点で同じであるが、減衰の割合はセルの間で変化する。これは、
a) 電荷蓄積電流の減衰および漏れ電流への遷移
b) 漏れ電流の温度依存性。たとえば、図7において、漏れ電流は70℃で約6μAであり、これは、約23℃で同じセルについて漏れ電流が約0.2μAであることを示す図1と対照的である。
FIG. 7 shows that there is usually a difference in charge storage current between nominally similar devices. The general characteristics of current are the same in that they decay approximately exponentially over about 48 hours for a particular cell, but the rate of decay varies between cells. this is,
a) Decay of charge storage current and transition to leakage current b) Temperature dependence of leakage current. For example, in FIG. 7, the leakage current is about 6 μA at 70 ° C., in contrast to FIG. 1 which shows that the leakage current is about 0.2 μA for the same cell at about 23 ° C.

図8は、漏れ電流の温度依存性を示し、温度依存性は名目上同じセルの間で変化する。すなわち、図に示されたすべての温度での10のセルについての漏れ電流の分布度がある。さらに、この分布度は温度とともに上昇する傾向がある。   FIG. 8 shows the temperature dependence of the leakage current, which varies between nominally the same cells. That is, there is a distribution of leakage current for 10 cells at all temperatures shown in the figure. Furthermore, this distribution tends to increase with temperature.

図9は、漏れ電流の電圧依存性を示し、電圧依存性は名目上同じセルの間で変化する。測定される電圧はセル電圧であることが認識されるであろう。図に示されたすべてのセル電圧における10のセルの漏れ電流の分布度がある。   FIG. 9 shows the voltage dependence of leakage current, which varies nominally between the same cells. It will be appreciated that the voltage measured is a cell voltage. There is a distribution of leakage currents of 10 cells at all cell voltages shown in the figure.

図10は図9と同様であるが、漏れ電流の差および70℃でのこれらのセルの対応するセル電圧の差を示すために2つの特定のセルを選ばれる。これらの2つのセルが直列に対になる場合に、漏れ電流は、セルの間の不均衡を示す異なるセル電圧を生じる。   FIG. 10 is similar to FIG. 9, but two specific cells are chosen to show the difference in leakage current and the corresponding cell voltage difference for these cells at 70.degree. When these two cells are paired in series, the leakage current produces different cell voltages that indicate an imbalance between the cells.

図11は、23℃における漏れ電流の小さな差について選択された2つのセルに関するものである。これらのセルの温度が70℃まで上げられるときに、漏れ電流は同様であるが、電荷電流はかなり異なる。セルが直列に接続される場合、この差はセルの間でかなりの電圧の不均衡を生じるであろう。すなわち、ある環境条件にセルを整合させることによって、セルがこれらの条件の変化に整合されることは保証されない。   FIG. 11 relates to two cells selected for a small difference in leakage current at 23.degree. When the temperature of these cells is raised to 70 ° C., the leakage current is similar, but the charge current is quite different. If the cells are connected in series, this difference will cause a significant voltage imbalance between the cells. That is, matching a cell to certain environmental conditions does not guarantee that the cell is matched to changes in these conditions.

図12は、一定の温度における名目上同様のセルの充電および放電に関するものである。これは、セル電圧がオンまたはオフにされたときのセルの間の漏れ電流および電荷電流の差を示している。したがって、直列の電圧がオンおよびオフにされた場合に、直列に接続されたセルの間で電圧のバランスを達成するのは難しい。   FIG. 12 relates to charging and discharging of nominally similar cells at a constant temperature. This shows the difference in leakage current and charge current between cells when the cell voltage is turned on or off. Therefore, it is difficult to achieve a voltage balance between the cells connected in series when the series voltage is turned on and off.

図13は、直列に接続された例2からの2つの整合されたセルである。最初の150時間、セルはバランスをとられないため、個々のセル電圧は分岐される。しかしながら、150時間後には、セルは本発明に従った純粋な抵抗バランスでバランスをとられ、個々のセル電圧がバランシングによってもたらされるバイアスのために集中する。セルが同様のセルであると、バランスは等価になるように電圧にバイアスをかける。   FIG. 13 is two matched cells from Example 2 connected in series. Since the cells are not balanced for the first 150 hours, the individual cell voltages are forked. However, after 150 hours, the cells are balanced with a pure resistance balance according to the present invention and the individual cell voltages are concentrated due to the bias provided by the balancing. If the cell is a similar cell, the voltage is biased so that the balance is equivalent.

本発明の実施例は、広範囲の種類のスーパーキャパシタおよび超容量性セル(その一部は付録1に例示されている)で用いるのに好適である。しかしながら、実施例は、これらの例とともに使用することに限定されず、他のスーパーキャパシタおよびセルとともに使用するのにも好適である。例示するために、本発明の実施例は、その開示が相互参照によってここに含まれる、先行のPCT特許出願PCT/AU99/01081、PCT/AU01/00838、PCT/AU01/01613、PCT/AU01/01590、PCT/AU02/01766およびPCT/AU03/00334に含まれる種類のセルおよびスーパーキャパシタで使用するのにも好適である。   Embodiments of the present invention are suitable for use with a wide variety of supercapacitors and supercapacitive cells, some of which are illustrated in Appendix 1. However, the embodiments are not limited to use with these examples and are suitable for use with other supercapacitors and cells. For purposes of illustration, embodiments of the present invention are described in earlier PCT patent applications PCT / AU99 / 01081, PCT / AU01 / 00838, PCT / AU01 / 01613, PCT / AU01 /, the disclosures of which are hereby incorporated by cross-reference. It is also suitable for use with the types of cells and supercapacitors included in 01590, PCT / AU02 / 01766 and PCT / AU03 / 00334.

図14から16を参照すると、スーパーキャパシタ2の形態をしたエネルギ貯蔵装置のための抵抗バランス1が示されている。スーパーキャパシタは、図18で最もよく示されており、2つのエネルギ貯蔵セル3および4を有する。バランスはセルの中間に配置される。   With reference to FIGS. 14 to 16, a resistance balance 1 for an energy storage device in the form of a supercapacitor 2 is shown. The supercapacitor is best shown in FIG. 18 and has two energy storage cells 3 and 4. The balance is placed in the middle of the cell.

バランス1は、2つの平行に間隔をあけた同一の広がりを持つ縦部材5および6を含み
、これらはそれぞれ端部7および8ならびに端部9および10の間に延在する。2つの平行に間隔をあけた同一の広がりを持つ横部材11および12は、部材5および6の間に延在する。部材11は、端部7および9それぞれにすぐ隣接して取り付けられるが、部材12は、それぞれの端部8および10に隣接するが、これらから内部に間隔をあけて、部材7および8に取り付けられる。
Balance 1 includes two parallel spaced co-extensive longitudinal members 5 and 6, which extend between ends 7 and 8 and ends 9 and 10, respectively. Two parallel spaced co-extensive transverse members 11 and 12 extend between members 5 and 6. Member 11 is mounted immediately adjacent to each of ends 7 and 9, while member 12 is adjacent to each end 8 and 10 but spaced internally therefrom to members 7 and 8. It is done.

すべての部材は、穴を開けられるか、そうでなければ要求された形状に形成された1枚の回路基板と一体化して形成される。この実施例において、部材は中心開口13を集合的に規定し、一方で部材5,6および12は端部ノッチ14を集合的に規定する。   All members are formed integrally with a single circuit board that can be perforated or otherwise formed into the required shape. In this embodiment, the member collectively defines a central opening 13, while members 5, 6 and 12 collectively define an end notch 14.

連続的な導電性の金属トラック21は部材5,6および11上で形成され、端部22および23の間を横方向に延在する。電気的に導電性の概ね正方形の金属タブ24は、部材11に固定して装着され、トラック21の上にあり、これと密接に電気的に接触する。タブ24は、部材11のすべてにわたって横方向に、かつ部材11の外部で縦方向にある第1の端部25および第2の端部26と、端部7および9との間で縦方向に延在する。タブ24は上面27および下面28を含む。   A continuous conductive metal track 21 is formed on the members 5, 6 and 11 and extends laterally between the ends 22 and 23. An electrically conductive generally square metal tab 24 is fixedly mounted to member 11 and is on track 21 and in intimate electrical contact therewith. The tab 24 extends laterally across all of the member 11 and longitudinally between the first end 25 and the second end 26 and the ends 7 and 9 which are longitudinally outside the member 11. Extend. Tab 24 includes an upper surface 27 and a lower surface 28.

タブ24は、導電性接着剤(図示せず)によって部材11に接続される。しかしながら、他の実施例において、代替の接続手段は、はんだ付けまたは熱によるもしくは他の溶接を含む。   The tab 24 is connected to the member 11 by a conductive adhesive (not shown). However, in other embodiments, alternative connection means include soldering or heat or other welding.

トラック21の端部22および23は、端部8および10それぞれに向かって延在する、図15で最もよく示された縦部分を含む。   The ends 22 and 23 of the track 21 include vertical portions best shown in FIG. 15 that extend toward the ends 8 and 10, respectively.

別の導電性の金属トラック29は、端部30と概ね正方形の金属接触パッチ31との間の部材5に沿って縦方向に延在する。端部30は、トラック21の端部22に隣接するがそこからは間隔をあけられる。同様に、導電性の金属トラック33は、端部34と概ね正方形の金属接触パッチ35との間の部材6に沿って縦方向に延在する。端部34は、トラック21の端部23に隣接するがそこから間隔をあけられる。   Another conductive metal track 29 extends longitudinally along the member 5 between the end 30 and the generally square metal contact patch 31. End 30 is adjacent to, but spaced from, end 22 of track 21. Similarly, the conductive metal track 33 extends longitudinally along the member 6 between the end 34 and the generally square metal contact patch 35. The end 34 is adjacent to but spaced from the end 23 of the track 21.

2つの金属タブ37および38は銅板から形成され、それぞれのパッチ31および35と重複し、これらと密接に電気的に接触される。   The two metal tabs 37 and 38 are formed from a copper plate and overlap the respective patches 31 and 35 and are in intimate electrical contact therewith.

これらのタブ37および38の各々は、上面および下面を有する、それぞれの固定された部分41および42を含み、タブの下面はパッチ31および35と重複し、これと接する。タブは、部材5および6の端部8および10を超えて縦方向に延在する自由な部分45および46を含む。他の実施例において、部分45および46は、部材5および6それぞれを超えて横方向に延在する。さらなる実施例において、部分45および46は、部材5および6を超えて横方向にかつ縦方向に延在する。   Each of these tabs 37 and 38 includes a respective fixed portion 41 and 42 having an upper surface and a lower surface, where the lower surface of the tab overlaps and contacts the patches 31 and 35. The tab includes free portions 45 and 46 that extend longitudinally beyond the ends 8 and 10 of members 5 and 6. In other embodiments, portions 45 and 46 extend laterally beyond members 5 and 6, respectively. In a further embodiment, portions 45 and 46 extend laterally and longitudinally beyond members 5 and 6.

バランス1は、2つの表面実装抵抗器47および48を含む。抵抗器47は、タブ24およびタブ37の間で抵抗経路を与えるために、トラック29の端部30とトラック21の端部22との間のギャップを埋める。この経路は、タブ24、トラック21、抵抗器47、トラック29、パッチ31およびタブ37を連続的に含む。同様に、抵抗器48は、タブ24およびタブ38の間で抵抗経路を与えるために、トラック33の端部34とトラック21の端部23との間のギャップを埋める。この経路は、タブ24、トラック21、抵抗器48、トラック33、パッチ35およびタブ38を連続的に含む。タブ24ならびに37および38の間の実質的にすべての抵抗は、抵抗器47および48によって与えられることが認識されるであろう。   Balance 1 includes two surface mount resistors 47 and 48. Resistor 47 fills the gap between end 30 of track 29 and end 22 of track 21 to provide a resistance path between tab 24 and tab 37. This path includes tab 24, track 21, resistor 47, track 29, patch 31 and tab 37 in succession. Similarly, resistor 48 fills the gap between end 34 of track 33 and end 23 of track 21 to provide a resistance path between tab 24 and tab 38. This path includes tab 24, track 21, resistor 48, track 33, patch 35 and tab 38 in succession. It will be appreciated that substantially all the resistance between tabs 24 and 37 and 38 is provided by resistors 47 and 48.

他の実施例において、標準の炭素ベースの抵抗器またはポリマー抵抗器等の代替の抵抗装置が用いられ、そのうちの1つが以下でより詳細に説明される。   In other embodiments, alternative resistance devices such as standard carbon-based resistors or polymer resistors are used, one of which is described in more detail below.

図17で最もよく示されるように、セル3および4はそれぞれ密閉された積層ハウジング51および52を含む。示されてはいないが、ハウジングの各々の内部で、複数の対向電極、電極を固定して間隔をあけた構成に保つための絶縁セパレータ、および電極間のイオン伝導を可能にするための電解質が配置される。この実施例において、各々のハウジングは、複数の対をなす積層電極を含む。しかしながら、折り重ねられたまたは巻かれた電極を含む多くの他の構成が可能である。これらの構成の例は、公開番号WO02/47097号のPCT出願に示されており、その内容は相互参照によりここに援用される。   As best shown in FIG. 17, cells 3 and 4 include hermetically sealed laminated housings 51 and 52, respectively. Although not shown, there are a plurality of counter electrodes within each of the housings, an insulating separator for securing the electrodes in a spaced configuration, and an electrolyte for allowing ionic conduction between the electrodes. Be placed. In this embodiment, each housing includes a plurality of pairs of stacked electrodes. However, many other configurations are possible including folded or rolled electrodes. Examples of these configurations are shown in the PCT application with publication number WO 02/47097, the contents of which are hereby incorporated by cross-reference.

ハウジング51内の電極の各々は、2つの端子53および54のうちの1つに接続される。これらの端子は、電極との外部での電気的相互作用を可能にするために、互いに反対方向ではあるが、ハウジングから縦方向に延在する。同様に、ハウジング52内部の電極の各々は、2つの端子55および56のうちの1つに接続される。これらの端子は、電極との外部での電気的相互作用を可能にするために、互いに反対方向ではあるが、ハウジングから縦方向に延在する。   Each of the electrodes in the housing 51 is connected to one of the two terminals 53 and 54. These terminals extend longitudinally from the housing, but in opposite directions, to allow external electrical interaction with the electrodes. Similarly, each of the electrodes within housing 52 is connected to one of two terminals 55 and 56. These terminals extend longitudinally from the housing, but in opposite directions, to allow external electrical interaction with the electrodes.

セル3および4のバランス1への装着は、セルを図17に示されるようなクレードルに対して方向付けることによって行なわれる。これは、タブ37の下面の下にありかつそれに接する端子54と、タブ38の上面の上にありかつそれと接する端子56とを含む。図に概略的に示されるように、溶接は、対をなす当接された構成要素に与えられ、2つの固定された電力接続をもたらす。   The mounting of the cells 3 and 4 to the balance 1 is performed by orienting the cells relative to the cradle as shown in FIG. This includes a terminal 54 below and in contact with the lower surface of tab 37 and a terminal 56 above and in contact with the upper surface of tab 38. As schematically shown in the figure, the weld is applied to a pair of abutted components, resulting in two fixed power connections.

セル3および4は、次に、図18に示された方向を想定するように互いから離れておよびクレードル2のまわりで折り重なる。図に示されるように、端子53はタブ24の下面28に接し、一方で端子55はタブ24の上面27に接する。これらの接する構成要素は次に互いに溶接されて、端子53および55ならびにタブ24に効果的に電気的に接続される。スーパーキャパシタ2の回路図が図19に概略的に示されている。すなわち、セル3および4は互いに直列に、およびそれぞれの抵抗器47および48と並列に接続される。   Cells 3 and 4 then fold away from each other and around cradle 2 to assume the direction shown in FIG. As shown, the terminal 53 contacts the lower surface 28 of the tab 24, while the terminal 55 contacts the upper surface 27 of the tab 24. These abutting components are then welded together and effectively electrically connected to terminals 53 and 55 and tab 24. A circuit diagram of the supercapacitor 2 is schematically shown in FIG. That is, cells 3 and 4 are connected in series with each other and in parallel with respective resistors 47 and 48.

抵抗器47および48は、実質的に同じ抵抗を与えるように選択されることが当業者によって認識されるであろう。したがって、セル3および4の双方は、抵抗器47および48によって形成される抵抗電圧分割器によっておよそ同じ電圧で維持される。これによって、使用中に、直列に接続されたセルのうちの1つへの過電圧の危険性が実質的に減じられることが保証される。   It will be appreciated by those skilled in the art that resistors 47 and 48 are selected to provide substantially the same resistance. Thus, both cells 3 and 4 are maintained at approximately the same voltage by a resistive voltage divider formed by resistors 47 and 48. This ensures that, in use, the risk of overvoltage to one of the cells connected in series is substantially reduced.

セル3および4は、そのそれぞれの周囲で、ハウジング51および52内の中央に配置されたこれらのセル内部の電極のためにその中心よりも薄い。したがって、これらのセルがバランス1のまわりで折り重ねられるときに、反対側のハウジングは穴13へと延在して接するか、または密接に隣接している。このようにして、部材5,6,11および12は、セル3および4と係合した状態でさらに係留される。さらに、この相互作用のために、バランス1はスーパーキャパシタ2の全体的な厚さにほとんど寄与しない。   Cells 3 and 4 are thinner than their centers due to their internal electrodes located in the center within housings 51 and 52 around their respective circumferences. Thus, when these cells are folded around balance 1, the opposite housing extends into and touches hole 13 or is closely adjacent. In this way, the members 5, 6, 11 and 12 are further anchored in engagement with the cells 3 and 4. Furthermore, due to this interaction, balance 1 contributes little to the overall thickness of supercapacitor 2.

図18に示されるように、タブ24ならびに部分45および46は、バランス1を超えて縦方向に延在し、ハウジング51および52は、他の回路または構成要素への電気的接続のためにアクセス可能になる。この実施例において、部分45および46は、はんだ付けによって回路基板(図示せず)に電気的に接続され、一方でタブ24はそのまま残される。しかしながら、他の実施例において、タブ24は関連する回路基板または他の電気的
構成要素に接続されて、そのタブでの電圧に近付くおよび/またはそれを制御するのを可能にする。
As shown in FIG. 18, tabs 24 and portions 45 and 46 extend longitudinally beyond balance 1 and housings 51 and 52 are accessible for electrical connection to other circuits or components. It becomes possible. In this embodiment, portions 45 and 46 are electrically connected to a circuit board (not shown) by soldering while tab 24 is left intact. However, in other embodiments, the tab 24 is connected to an associated circuit board or other electrical component to allow the voltage at that tab to be approached and / or controlled.

図面に示された実施例において、図14から19は、スーパーキャパシタのための抵抗バランスを可能にするための便利でありかつ費用のわりに効果的な手段を提供する。すなわち、スーパーキャパシタ2は、既存の回路基板に遡って適合され、かつそれぞれのバランスの機能性を得ることができる。たとえば、スーパーキャパシタ2は、いくつかの実施例において、キャパシタに取って代わり、同じ体積にかなりの大きな静電容量を与える。他の実施例において、スーパーキャパシタ2は不均衡なスーパーキャパシタに取って代わることにより、実質的に同じ体積を占めながら改善された安定性および寿命を与えることができる。   In the embodiment shown in the drawings, FIGS. 14 to 19 provide a convenient and cost effective means for enabling resistance balancing for a supercapacitor. That is, the supercapacitor 2 is adapted retroactively to the existing circuit board and can obtain the functionality of each balance. For example, supercapacitor 2 replaces the capacitor in some embodiments and provides a fairly large capacitance to the same volume. In other embodiments, supercapacitor 2 can provide improved stability and lifetime while occupying substantially the same volume by replacing an unbalanced supercapacitor.

セル3および4が上下に積み重ねられるときに、これらは、装着される基板の狭い面積しか占めず、これによって設計の柔軟性が高くなる。さらに、タブ24は要求に応じてアクセスされるように利用可能である。   When cells 3 and 4 are stacked one above the other, they occupy only a small area of the substrate to be mounted, thereby increasing design flexibility. In addition, tabs 24 are available to be accessed on demand.

上述の実施例において、抵抗器47および48は、±1%の許容差での150kΩの抵抗を有する表面実装抵抗器である。抵抗は、経験される直列の動作電圧におけるセルのEPRに基づいて選択され、バランスから要求される所望の敏感度を与えるように整合される。他の実施例において、異なる抵抗、抵抗器の種類および許容差が用いられる。   In the embodiment described above, resistors 47 and 48 are surface mount resistors having a resistance of 150 kΩ with a tolerance of ± 1%. The resistance is selected based on the EPR of the cell at the series operating voltage experienced and is matched to give the desired sensitivity required from the balance. In other embodiments, different resistors, resistor types and tolerances are used.

図14の実施例において、セルの各々は、縦が約27mm、横が約17mm、厚さが約1mmである。スーパーキャパシタ2の合計の厚さは約2.1mmであり、これはセル3および4の組合された厚さよりもほんのわずかに厚いだけである。   In the example of FIG. 14, each of the cells is about 27 mm in length, about 17 mm in width, and about 1 mm in thickness. The total thickness of supercapacitor 2 is about 2.1 mm, which is only slightly thicker than the combined thickness of cells 3 and 4.

ここで図20を参照すると、無線コンピュータネットワーク(図示せず)のための通信カード61が示されており、このネットワークは、図14に従ったバランスを有する超容量性装置(明確には図示せず)を含む。他の実施例において、通信カードはクラス10またはクラス12のGPRSカードであり、さらに他の実施例ではそれはPCMCIAカードである。多くの他の通信カードおよび他のカードが他の実施例において用いられることが当業者によって認識されるであろう。   Referring now to FIG. 20, there is shown a communication card 61 for a wireless computer network (not shown), which network is a supercapacitive device (not explicitly shown) having a balance according to FIG. A). In other embodiments, the communication card is a Class 10 or Class 12 GPRS card, and in yet other embodiments it is a PCMCIA card. Those skilled in the art will recognize that many other communication cards and other cards are used in other embodiments.

カード61は標準のPCB62を含み、これに、カードから要求された機能性を与えるための多くの構成要素が装着される。カードは、電子的装置のスロットに挿入するためのものであり、この場合、同様のカード61は、デスクトップコンピュータ63、ラップトップコンピュータ64およびプリンタ65等の複数の電子的装置内に含まれる。これらが一旦含まれかつ要求されたドライバとともに構成されると、電子的装置間の無線ネットワーク通信が可能になる。   Card 61 includes a standard PCB 62, which is loaded with many components to provide the functionality required from the card. The card is for insertion into a slot of an electronic device, in which case a similar card 61 is included in a plurality of electronic devices such as a desktop computer 63, a laptop computer 64, and a printer 65. Once these are included and configured with the required driver, wireless network communication between electronic devices is possible.

バランス1を含む他のカードは、寸法が異なり、異なる機能性を与える。これらの追加のカードは、ビデオカメラ、PDA、携帯電話、モデム、サーバ等の他の電子的装置で用いるためのものである。さらに、場合によっては、クレードル1は、カードに装着されずに、代わりに電子的装置のマザーボードまたは他の回路基板に直接装着される。   Other cards including balance 1 have different dimensions and provide different functionality. These additional cards are for use with other electronic devices such as video cameras, PDAs, cell phones, modems, servers, and the like. Further, in some cases, the cradle 1 is not attached to the card, but instead is attached directly to the motherboard or other circuit board of the electronic device.

ここで図21から図26を参照すると、図22において破線で示された代替の抵抗バランス71が示されている。バランス71は、2つのエネルギ貯蔵セル73および74を有するスーパーキャパシタ72の形態をしたエネルギ貯蔵装置のためのものである。バランス71は、セルの完全に中間に配置される。他の実施例において、バランスは実質的にセルの間に配置される。   Referring now to FIGS. 21-26, there is shown an alternative resistance balance 71, shown in dashed lines in FIG. Balance 71 is for an energy storage device in the form of a supercapacitor 72 having two energy storage cells 73 and 74. The balance 71 is placed completely in the middle of the cell. In other embodiments, the balance is disposed substantially between the cells.

スーパーキャパシタ72のさまざまな実施例が付録1の例1から30に示される。   Various embodiments of supercapacitor 72 are shown in Examples 1 through 30 of Appendix 1.

図23に示されるように、セル73は、エッジ76,77,78および79を有する概ね矩形の積層ハウジング75を含む。ハウジング75は、最初にエネルギ貯蔵素子80のまわりで半分に折り重ねられた単一の積層板から形成され、これは図において破線で示されている。折り目がエッジ79を規定することが認識されるであろう。ハウジング75は次に、エッジ76および78に沿って熱溶接されて、上方に面する開口(図示せず)を有するポケットを規定する。液体の電解質は、ポケットの開口に挿入され、一方でガスおよび水等の他の汚染物質が除去される。ハウジング75は、開口のまわりで熱溶接されて、素子80およびハウジング75内の電解質を密閉して保持する。熱融着されたハウジングの一部は、それ自身にわたって折返されてエッジ77を規定する。   As shown in FIG. 23, the cell 73 includes a generally rectangular laminated housing 75 having edges 76, 77, 78 and 79. The housing 75 is formed from a single laminate that is first folded in half around the energy storage element 80, which is shown in dashed lines in the figure. It will be appreciated that the fold defines an edge 79. Housing 75 is then heat welded along edges 76 and 78 to define a pocket having an upwardly facing opening (not shown). The liquid electrolyte is inserted into the pocket opening while other contaminants such as gas and water are removed. The housing 75 is heat welded around the opening to keep the element 80 and the electrolyte in the housing 75 sealed. A portion of the heat-sealed housing is folded over itself to define an edge 77.

素子80は、複数の対向しかつ積み重ねられた電極と、これらの電極を間隔をあけた構成で維持するための中間絶縁セパレータとを含む。スタックにおける電極の2分の1は、概ね矩形のアルミニウムタブ81に電気的に接続されて、第1の組の電極を集合的に形成し、一方で電極の他の2分の1は、概ね矩形のアルミニウムタブ82に電気的に接続されて、第2の組の電極を集合的に形成する。第1の組における電極は、第2の組における電極で挟まれて、最大の対向電極面積を与える。さらに、電極は、活性化された炭素等の広い表面積の材料とでコーティングされて、電極間の対向する表面積を最適化する。   Element 80 includes a plurality of opposed and stacked electrodes and an intermediate insulating separator for maintaining the electrodes in a spaced configuration. One half of the electrodes in the stack are electrically connected to a generally rectangular aluminum tab 81 to collectively form a first set of electrodes, while the other half of the electrodes are generally Electrically connected to a rectangular aluminum tab 82, the second set of electrodes are collectively formed. The electrodes in the first set are sandwiched by the electrodes in the second set to provide the maximum counter electrode area. Furthermore, the electrodes are coated with a large surface area material, such as activated carbon, to optimize the opposing surface area between the electrodes.

タブ81および82は反対側の方向でハウジング75内から延在し、それぞれ熱溶接エッジ76および78によって係留され、密閉して保持される。タブによって要素80への外部での電気的接続が可能になり、主要な特性は、導電性、強度および他での構成要素への接続の好適性である。   Tabs 81 and 82 extend from within housing 75 in opposite directions and are anchored and heat sealed by thermal weld edges 76 and 78, respectively. The tab allows for an external electrical connection to the element 80, the main characteristics being conductivity, strength and suitability for connecting to the component elsewhere.

穴をあけた銅端子83はボディ84を含み、このボディは一方端でタブ81の自由端に電気的に接続される。この実施例において、接続は溶接によって行なわれる。しかしながら、他の実施例において、溶接または導電性接着剤が用いられる。終端レッグ85は、通常、ボディ84の他方端から延在し、回路基板(図示せず)と係合するための自由端を有する。   The perforated copper terminal 83 includes a body 84 that is electrically connected to the free end of the tab 81 at one end. In this embodiment, the connection is made by welding. However, in other embodiments, welding or conductive adhesive is used. The termination leg 85 typically extends from the other end of the body 84 and has a free end for engaging a circuit board (not shown).

セル73のEPRは、タブ81および82の間で測定され、約1.5MΩである。製造および材料の許容差によって同様のセルの間にEPRのばらつきが生じる。   The EPR of cell 73 is measured between tabs 81 and 82 and is about 1.5 MΩ. Due to manufacturing and material tolerances, EPR variation occurs between similar cells.

平坦な抵抗ストリップ103は、タブ81および82に電気的に接続されて、予め定められた抵抗を有するタブの間で抵抗経路を規定する。この実施例において、予め定められた抵抗は約150kΩである。このストリップは以下でより詳細に説明される。   Flat resistive strip 103 is electrically connected to tabs 81 and 82 to define a resistive path between the tabs having a predetermined resistance. In this embodiment, the predetermined resistance is about 150 kΩ. This strip is described in more detail below.

セル74はセル73と同様であり、これは図24に示されており、対応する特徴は対応する参照数字で示されている。セル74の場合に、端子83はタブ82に接続される。さらに、タブとの接続は、レッグ85が延在するボディ84の端部に隣接している。この理由は、以下の説明から明らかになる。   Cell 74 is similar to cell 73, which is illustrated in FIG. 24, with corresponding features indicated by corresponding reference numerals. In the case of cell 74, terminal 83 is connected to tab 82. Furthermore, the connection with the tab is adjacent to the end of the body 84 from which the leg 85 extends. The reason for this will become clear from the following description.

タブ81および82の間で測定されたセル74のEPRは約1.5MΩである。これはセル73のEPRと類似しているが、製造および材料の許容差がセルの間のEPRのばらつきをもたらすことが当業者によって認識されるであろう。いくつかの組立てプロセスにおいてセルが整合される。それにもかかわらず、名目上同様のセルの間でEPRに10%のばらつきがあるのは珍しいことではない。   The EPR of cell 74 measured between tabs 81 and 82 is about 1.5 MΩ. This will be similar to the EPR of cell 73, but it will be appreciated by those skilled in the art that manufacturing and material tolerances will result in EPR variation between cells. Cells are aligned in some assembly processes. Nevertheless, it is not uncommon for EPR to vary by 10% between nominally similar cells.

平坦な抵抗ストリップ104はセル74のタブ81および82に電気的に接続されて、
予め定められた抵抗を有するタブの間の抵抗経路を規定する。この実施例において、予め定められた抵抗は約150kΩであり、これはストリップ103によって与えられる予め定められた抵抗と同じである。
The flat resistive strip 104 is electrically connected to the tabs 81 and 82 of the cell 74,
Define a resistance path between the tabs having a predetermined resistance. In this embodiment, the predetermined resistance is about 150 kΩ, which is the same as the predetermined resistance provided by strip 103.

バランス71を組立てるという次のステップは、図25および26に最もよく示されており、セル73および74は隣り合わせに配置される。   The next step of assembling the balance 71 is best shown in FIGS. 25 and 26, with cells 73 and 74 being placed side by side.

セル73のタブ82およびセル74のタブ81は、エッジ78および76それぞれで折り重ねられて、セルから通常上方に同一の広がりを持つようにする。これらのタブは互いに当接され、互いに超音波で溶接される。他の実施例において、はんだ付け等の代替の接続方法が用いられる。   The tab 82 of the cell 73 and the tab 81 of the cell 74 are folded at edges 78 and 76, respectively, so that they are generally coextensive upward from the cell. These tabs abut against each other and are welded ultrasonically to each other. In other embodiments, alternative connection methods such as soldering are used.

セル73のタブ81はエッジ76のまわりで約180°だけ折り重ねられて、端子83のボディ84がセル73の上にあり、かつ端子83のレッグ85がセル73を超えて縦に外側に延在するようにする。同様に、セル74のタブ82は、エッジ78のまわりで180°だけ折り重ねられて、端子83のボディ84がセル74の上にあり、かつ端子83のレッグ85がセル74を超えて縦方向に外側に延在するようにする。図26で最もよく示されるように、セル74に接続される端子83は、下方および外側に延在するレッグ85を含み、一方でセル73に接続される端子83は、上方および外側に延在する。さらに重要なことに、図25に最もよく示されるように、レッグは横方向にずらされる。   The tab 81 of the cell 73 is folded about 180 ° around the edge 76 so that the body 84 of the terminal 83 is above the cell 73 and the leg 85 of the terminal 83 extends longitudinally outward beyond the cell 73. To be present. Similarly, the tab 82 of the cell 74 is folded 180 degrees around the edge 78 so that the body 84 of the terminal 83 is above the cell 74 and the leg 85 of the terminal 83 extends longitudinally beyond the cell 74. To extend outward. As best shown in FIG. 26, terminal 83 connected to cell 74 includes a leg 85 extending downward and outward, while terminal 83 connected to cell 73 extends upward and outward. To do. More importantly, the legs are shifted laterally, as best shown in FIG.

セル73のタブ82をセル74のタブ81に接続することは、これらのセルを直列に接続するという効果を有する。この実施例において、セル73の端子83はスーパーキャパシタ72の正端子を規定し、一方でセル74の端子83はスーパーキャパシタ72の負端子を規定する。   Connecting the tab 82 of the cell 73 to the tab 81 of the cell 74 has the effect of connecting these cells in series. In this embodiment, terminal 83 of cell 73 defines the positive terminal of supercapacitor 72, while terminal 83 of cell 74 defines the negative terminal of supercapacitor 72.

次いで、セル73および74は、重なり合うように、接続されたタブ81および82のあたりで180°折り重ねられる。すなわち、セル73および74は図25および図26に示される構成から図21および図22に示される構成に進められる。   The cells 73 and 74 are then folded 180 ° around the connected tabs 81 and 82 to overlap. That is, cells 73 and 74 are advanced from the configuration shown in FIGS. 25 and 26 to the configuration shown in FIGS. 21 and 22.

他の実施例においては、セル73および74は図25および図26に示される平坦な構成の左側にある。このようなスーパーキャパシタの実施例が、添付の付録1の例31〜44において提供される。   In another embodiment, cells 73 and 74 are on the left side of the flat configuration shown in FIGS. Examples of such supercapacitors are provided in Examples 31-44 of Appendix 1.

いくつかの実施例においては、セル73および74は、当該セルを図21および図22の折り重ねられた構成に保持するための両面接着剤(図示せず)の中間シートを含む。この接着剤はまた、正端子を負端子から絶縁する。しかしながら、他の実施例においては、片面接着ストリップが折り重ねられたセルの周りに巻き付けられる。さらに別の実施例においては、接着剤は用いられないが、レッグ85を回路板または他の基板にはんだ付けすることに頼っている。   In some embodiments, cells 73 and 74 include an intermediate sheet of double-sided adhesive (not shown) for holding the cells in the folded configuration of FIGS. This adhesive also insulates the positive terminal from the negative terminal. However, in other embodiments, a single-sided adhesive strip is wrapped around the folded cell. In yet another embodiment, no adhesive is used, but relies on soldering the legs 85 to a circuit board or other substrate.

両面接着剤がセル73とセル74との間で用いられていない実施例においては、他の何らかの絶縁材料を2つの隣接する端子83の間に配置して、これらの要素の間における短絡を防ぐ。   In embodiments where double-sided adhesive is not used between cells 73 and 74, some other insulating material is placed between two adjacent terminals 83 to prevent shorting between these elements. .

バランス71は端部87と端部88との間に長手方向に延在し、実質的にセル74の上全体に重なる。端部87は端子83の本体84の上に重なるが、端部88は接続されたタブ81および82に隣接して終端をなす。   The balance 71 extends in the longitudinal direction between the end portion 87 and the end portion 88 and substantially overlaps the entire top of the cell 74. End 87 overlies body 84 of terminal 83, but end 88 terminates adjacent to connected tabs 81 and 82.

次いで、セル73は、セル74のエッジ76に有効に接合されたそのエッジ78のあた
りで180°折り重ねられ、図21および図22に示される構成にされる。これにより、組合わされたタブ81および82がバランス71の端部88に係合され、端部87が端子83の本体84によって対向する側上で係合される。
The cell 73 is then folded 180 ° around its edge 78 effectively joined to the edge 76 of the cell 74 to the configuration shown in FIGS. As a result, the combined tabs 81 and 82 are engaged with the end portion 88 of the balance 71, and the end portion 87 is engaged on the opposite side by the main body 84 of the terminal 83.

図27、図28および図29を参照して抵抗ストリップ103および104をより詳細に説明する。分かりやすくするために、ストリップ103しか示さないが、ストリップ104がこれと同様であることが理解されるだろう。   The resistance strips 103 and 104 will be described in more detail with reference to FIGS. 27, 28 and 29. FIG. For clarity, only strip 103 is shown, but it will be understood that strip 104 is similar.

ストリップ103は、間隔をあけて配置された2つのアルミニウム終端タブ105および106を含む。絶縁テフロン(Teflon)(登録商標)基板110は、タブ105と部分的に重なりかつ当該タブ105に隣接している端部111を有する。基板110は端部111から端部112へと長手方向に延在し、当該端部112はタブ106と部分的に重なりかつ当該タブ106に隣接している。抵抗ポリマー層113は基板110の下側全体に形成され、導電性接着接点115および116によってそれぞれタブ105および106に電気的に接続されている。   The strip 103 includes two aluminum termination tabs 105 and 106 that are spaced apart. Insulating Teflon® substrate 110 has an end 111 that partially overlaps and is adjacent to tab 105. The substrate 110 extends longitudinally from the end 111 to the end 112, the end 112 partially overlapping the tab 106 and adjacent to the tab 106. Resistive polymer layer 113 is formed over the entire underside of substrate 110 and is electrically connected to tabs 105 and 106 by conductive adhesive contacts 115 and 116, respectively.

抵抗ストリップは、約10,000mm2の面積を有する25ミクロン厚のテフロン(登録商標)層の金属面上に重ねることによって形成される。この層は基板110の前駆体である。たとえばメテック・インコーポレイテッド(Metech, Inc)によって販売され「8600シリーズ(8600 Series)」と称される50ミクロン厚のポリマー層が次に、テフロン(登録商標)層にわたって均一に塗布され、硬化して層113を形成し得る。間隔をあけて平行に配置された液体接着接点の2つのストリップが層113に塗布され、それぞれの0.1mm厚のアルミニウムストリップが接着接点と係合するよう配置される。次いで、接点を硬化させ得る。 Resistive strip is formed by superimposing on a metal surface of about 25 microns thick Teflon having an area of 10,000 mm 2 (R) layer. This layer is a precursor of the substrate 110. For example, a 50 micron thick polymer layer sold by Metech, Inc., referred to as the “8600 Series”, is then uniformly applied across the Teflon layer and cured. Layer 113 may be formed. Two strips of liquid adhesive contacts, spaced in parallel, are applied to the layer 113 and each 0.1 mm thick aluminum strip is arranged to engage the adhesive contacts. The contacts can then be cured.

上述のことが発生すると、複合積層材料が、幅が約3mmで長さが約23mmのストリップに切断されて複数の抵抗器103および104を形成する。抵抗材料の長さ、厚さおよび幅を変えることにより、さまざまな値の抵抗が得られることが理解されるだろう。この実施例においては、3mm×23mm×50ミクロンの抵抗器103は約150kΩの抵抗をもたらす。   When the above occurs, the composite laminate material is cut into strips about 3 mm wide and about 23 mm long to form a plurality of resistors 103 and 104. It will be understood that varying values of resistance can be obtained by varying the length, thickness and width of the resistive material. In this embodiment, a 3 mm × 23 mm × 50 micron resistor 103 provides a resistance of about 150 kΩ.

ストリップ103の抵抗特性および構造特性は層113によってほぼ全面的にもたらされる。基板110は、製造ステップを容易にしかつ使用中における不注意な電気的接触から層113を守る絶縁体としての役割を果たす。接着接点は個々の接点115および116の前駆体であり、アルミニウムのストリップはタブ105および106の前駆体である。   The resistance and structural properties of the strip 103 are provided almost entirely by the layer 113. The substrate 110 serves as an insulator that facilitates the manufacturing steps and protects the layer 113 from inadvertent electrical contact during use. The adhesive contacts are the precursors for the individual contacts 115 and 116, and the aluminum strip is the precursor for the tabs 105 and 106.

接着接点115および116は、この実施例においては、ニ液導電性軟質エポキシ接着剤から形成される。たとえば、Resinlab(登録商標)SEC1233または同様の製品が用いられる。   Adhesive contacts 115 and 116 are formed from a two-component conductive soft epoxy adhesive in this embodiment. For example, Resinlab® SEC 1233 or similar product is used.

このような抵抗ストリップおよび接着剤を用いることにより、設計および製造をかなり融通のきくものにすることができる。より高い並列抵抗が必要とされる、たとえばより低い漏れ電流を被るような応用例においては、ストリップ103および104が単により薄くおよび/またはより長くおよび/またはより狭く作製される。逆に、より低い抵抗で十分である場合、ストリップ115および116はより厚くおよび/またはより短くおよび/またはより狭く作製される。   By using such resistive strips and adhesives, the design and manufacture can be made quite flexible. In applications where higher parallel resistance is required, such as suffering lower leakage currents, strips 103 and 104 are simply made thinner and / or longer and / or narrower. Conversely, if lower resistance is sufficient, strips 115 and 116 are made thicker and / or shorter and / or narrower.

ストリップ103および104の主要な利点は以下のとおりである:
1.最低限の厚さ、すなわちこの実施例では100ミクロン未満であるが、これにより
、スーパーキャパシタ72の全体的な厚さへの実質的な追加はなくなる。典型的には、セル同士が接する場合でも、それらの間に1つ以上のギャップが存在する。好ましくは、抵抗器はこれらのギャップに配置され、このため、スーパーキャパシタの全体的な厚さに対し、たとえ寄与するとしてもその寄与の程度は低い。
The main advantages of strips 103 and 104 are as follows:
1. Although the minimum thickness, i.e., less than 100 microns in this embodiment, this eliminates a substantial addition to the overall thickness of the supercapacitor 72. Typically, even when cells are in contact, there are one or more gaps between them. Preferably, the resistors are placed in these gaps, so that the contribution, if any, to the overall thickness of the supercapacitor is low.

2.これらは製造が単純であり費用効率が良く、スーパーキャパシタに対する自動製造プロセス内に含まれる。   2. They are simple to manufacture and cost effective and are included in an automated manufacturing process for supercapacitors.

3.ロバストであるため、製造環境において処理しやすい。   3. Because it is robust, it is easy to process in a manufacturing environment.

ここで、図30および図31を参照すると、代替的な抵抗ストリップ117が示される。このストリップは、第1の端部119と第2の端部120との間に延在する0.1mm厚のフレキシブル回路板118を含む。この実施例においては、端部119と端部120との間の距離は約27.5mmであるが、板118の幅は約2.75mmである。しかしながら、他の実施例においては、代替的な距離および幅が用いられる。   Referring now to FIGS. 30 and 31, an alternative resistive strip 117 is shown. The strip includes a 0.1 mm thick flexible circuit board 118 that extends between a first end 119 and a second end 120. In this embodiment, the distance between the end 119 and the end 120 is about 27.5 mm, but the width of the plate 118 is about 2.75 mm. However, in other embodiments, alternative distances and widths are used.

ストリップ117は、板118上に堆積する銅層121を含む。層121は選択的に化学エッチングされて、図30に最もよく示されるように、概して正方形の2つの端部分123および124、ならびに2つの細長い中間部分125および126を設ける。部分125および126は、銅がないことにより構成される狭い分割ストリップ127によって互いから電気的に絶縁されている。さらに、部分123および125が互いに電気的に接続され、部分124および126が互いに電気的に接続されている。   The strip 117 includes a copper layer 121 that is deposited on the plate 118. Layer 121 is selectively chemically etched to provide two generally square end portions 123 and 124 and two elongated intermediate portions 125 and 126 as best shown in FIG. Portions 125 and 126 are electrically isolated from each other by a narrow dividing strip 127 constructed by the absence of copper. Furthermore, the parts 123 and 125 are electrically connected to each other, and the parts 124 and 126 are electrically connected to each other.

また、部分125と部分126との間を橋渡しする150kΩの表面実装抵抗器128が含まれる。最終結果として、部分125および部分126の抵抗が非常に低い場合、約150kΩの抵抗が部分123と部分124との間にもたらされる。抵抗器128は、部分125および126に固定されて電気的に係合するようはんだ付けされる。しかしながら、他の実施例においては、導電性接着剤を含む代替的な係合手段が用いられる。   Also included is a 150 kΩ surface mount resistor 128 that bridges between portion 125 and portion 126. The net result is that if the resistance of portion 125 and portion 126 is very low, a resistance of about 150 kΩ is provided between portion 123 and portion 124. Resistor 128 is secured to and electrically engaged with portions 125 and 126. However, in other embodiments, alternative engagement means including a conductive adhesive is used.

図31に図示のとおり、ストリップ117はまた、導電性接着剤131および132によって部分123および124にそれぞれ取付けられる0.1mm厚の2つのアルミニウムタブ129および130を含む。タブ129および130は互いから離れて外向きに延在しているので、エネルギ貯蔵装置のセルにストリップ117を接続するのが容易になる。上述の実施例の場合と同様に、概してはんだ付け、超音波溶接または導電性接着剤によって接続がなされる。   As shown in FIG. 31, strip 117 also includes two 0.1 mm thick aluminum tabs 129 and 130 that are attached to portions 123 and 124 by conductive adhesives 131 and 132, respectively. Since tabs 129 and 130 extend outwardly away from each other, it is easy to connect strip 117 to the cell of the energy storage device. As in the previous embodiment, the connection is generally made by soldering, ultrasonic welding or conductive adhesive.

図30からタブ129および130を省いていることが分かるだろう。   It can be seen from FIG. 30 that tabs 129 and 130 are omitted.

ストリップ117は可撓性および弾力性があり、ロバストである。したがって、これは、自動で製造されるエネルギ貯蔵装置に容易に組込まれる。   The strip 117 is flexible and resilient and is robust. It is therefore easily integrated into an automatically manufactured energy storage device.

ストリップ117は上述の実施例の抵抗器103および104の代替物として用いられる。   The strip 117 is used as an alternative to the resistors 103 and 104 in the above embodiment.

ストリップ117を製造するステップがここで図32に関して説明される。対応する特徴は対応する参照番号で示される。特に、一連のステップは以下を含む:
1.フレキシブル回路板118上に薄い銅層121を堆積させる。
The steps for manufacturing the strip 117 will now be described with respect to FIG. Corresponding features are indicated by corresponding reference numbers. In particular, the sequence of steps includes:
1. A thin copper layer 121 is deposited on the flexible circuit board 118.

2.銅層121を化学エッチングして複数のストリップ117の基礎である繰返しアレイを形成する。   2. The copper layer 121 is chemically etched to form a repeating array that is the basis for the plurality of strips 117.

3.複数の表面実装抵抗器128をはんだ付けして、適切な隣接する銅部分を相互接続する。   3. A plurality of surface mount resistors 128 are soldered to interconnect the appropriate adjacent copper portions.

4.銅でできた2つの端部分123および124を導電性接着剤でコーティングする。   4). Two end portions 123 and 124 made of copper are coated with a conductive adhesive.

5.2つのアルミニウムタブ129および130を接着剤のそれぞれの被覆上に重ねる。   5. Overlay the two aluminum tabs 129 and 130 on each coating of adhesive.

6.接着剤を硬化させる。   6). Allow the adhesive to cure.

7.等しく間隔をあけて平行に配置された切断線135(破線で図示)に沿って中間生成物を切断して複数の同様のストリップ117を形成する。   7). The intermediate product is cut along equally spaced parallel cutting lines 135 (shown in broken lines) to form a plurality of similar strips 117.

タブ129と130との間の抵抗が測定され、2つのセルエネルギ貯蔵装置とともに用いられる整合した対が形成される。   The resistance between tabs 129 and 130 is measured to form a matched pair for use with the two cell energy storage devices.

典型的には、この実施例においては、ストリップ117は、約1.5MΩのEPRを有する超容量性セルに適用される。したがって、約150kΩの抵抗は、要求されている抵抗バランスの影響をもたらすのに適している。他の実施例においては、特により低い漏れ電流が必要とされる場合、ストリップ117はより大きな抵抗を与えるよう設計されるが、当業者には明らかであるように実際的な制限はない。   Typically, in this embodiment, strip 117 is applied to a supercapacitive cell having an EPR of about 1.5 MΩ. Therefore, a resistance of about 150 kΩ is suitable for producing the required resistance balance effect. In other embodiments, the strip 117 is designed to provide greater resistance, especially when lower leakage currents are required, but there are no practical limitations as will be apparent to those skilled in the art.

ここで、図33を参照すると、代替的なフレキシブルな抵抗ストリップ141が示される。このストリップはストリップ117と類似しており、対応する特徴は対応する参照番号で示される。この実施例においては、中間部分125および126は、平行でずれた細長く狭い導電性トラックの形であり、それぞれの部分123および124から延在しかつ抵抗器128の対向する端部において終点をなしている。部分125および126の抵抗が最小である場合、部分125と126との間の全抵抗は抵抗器128の抵抗に実質的に等しくなる。この実施例においては、抵抗器128の抵抗は約150kΩであるが、他の実施例においては代替的な値が用いられる。   Referring now to FIG. 33, an alternative flexible resistive strip 141 is shown. This strip is similar to strip 117 and corresponding features are indicated by corresponding reference numbers. In this embodiment, intermediate portions 125 and 126 are in the form of parallel, offset elongated narrow conductive tracks that extend from respective portions 123 and 124 and end at opposite ends of resistor 128. ing. If the resistance of portions 125 and 126 is minimal, the total resistance between portions 125 and 126 will be substantially equal to the resistance of resistor 128. In this embodiment, the resistance of resistor 128 is about 150 kΩ, but alternative values are used in other embodiments.

ここで、図34を参照すると、対応する特徴が対応する参照番号で示されている代替的な抵抗ストリップ145が示される。この実施例においては、ストリップ127は真直ぐであり、部分125および126は上方から見ると等しい面積からなる。抵抗器128は部分123に、または当該部分123に隣接して配置されるが、他の実施例においては、部分124により近接して配置される。この点では、ストリップ145は抵抗器128に対する長手方向のいかなる位置決めエラーにも非常に許容性がある。   Referring now to FIG. 34, there is shown an alternative resistive strip 145 where corresponding features are indicated by corresponding reference numbers. In this embodiment, strip 127 is straight and portions 125 and 126 are of equal area when viewed from above. Resistor 128 is positioned at or adjacent to portion 123, but in other embodiments is positioned closer to portion 124. In this regard, the strip 145 is very tolerant of any longitudinal positioning error relative to the resistor 128.

図35は図32に類似しているが、複数のストリップ145を示す図である。ストリップ145を製造するプロセスは、ストリップ127を形成するエッチングステップを除いては、ストリップ117のためのステップと同じである。   FIG. 35 is similar to FIG. 32 but shows a plurality of strips 145. The process for manufacturing strip 145 is the same as the step for strip 117 except for the etching step that forms strip 127.

図36を参照すると、この発明のさらなる実施例が示される。これは、車両に装着することを意図した長寿命有料道路トランスポンダ201の形をした電気的装置を含む。このトランスポンダは所定の機能を与えるための電子回路202を含むが、当該機能とは、この実施例においては、道路通行料金所(図示せず)でもたらされる問いかけ信号を検出したり、これに応じてトランスポンダ201に固有の識別子を無線で送信したりすることである。この機能が以下にさらに説明される。1対の供給レール203および204が回路202に電力を供給し、バッテリ205の形をしたエネルギ貯蔵装置が供給レールに通電
する。直列接続された2つのキャパシタは0.95ファラドの炭素二重層スーパーキャパシタ207および208の形をしており、レール203と並列に接続される。電圧バランス209はスーパーキャパシタ207および208と並列に接続され、スーパーキャパシタをバランスの取れた状態に進めるための低抵抗モードと、キャパシタがバランスの取れた状態である場合の高抵抗モードとを有する。
Referring to FIG. 36, a further embodiment of the present invention is shown. This includes an electrical device in the form of a long-life toll road transponder 201 intended to be mounted on a vehicle. The transponder includes an electronic circuit 202 for providing a predetermined function. In this embodiment, the transponder detects an inquiry signal generated at a road toll gate (not shown) or responds accordingly. Thus, an identifier unique to the transponder 201 is transmitted wirelessly. This function is further described below. A pair of supply rails 203 and 204 supply power to the circuit 202, and an energy storage device in the form of a battery 205 energizes the supply rails. The two capacitors connected in series are in the form of 0.95 farad carbon double layer supercapacitors 207 and 208 and are connected in parallel with the rail 203. Voltage balance 209 is connected in parallel with supercapacitors 207 and 208 and has a low resistance mode for advancing the supercapacitor to a balanced state and a high resistance mode when the capacitor is in a balanced state.

他の実施例においては、直列または並列の一群のバッテリを用いて供給電圧をレール203および204に供給する。この実施例においては、バッテリ205は、定格で2アンペア時のリチウム一次電池であり、その動作寿命にわたって3.9ボルト〜2.5ボルトの公称ゼロ電流電圧を供給する。他の実施例においては、代替的なバッテリが用いられる。   In another embodiment, a supply voltage is supplied to rails 203 and 204 using a group of batteries in series or parallel. In this embodiment, battery 205 is a lithium primary battery rated at 2 amps and provides a nominal zero current voltage of 3.9 volts to 2.5 volts over its operating life. In other embodiments, an alternative battery is used.

スーパーキャパシタ207および208は定格で2.3ボルトであり、このため、それらは直列に配置されることにより、名目上、レール203と204との間の電圧の半分だけにさらされることが確実となる。この実施例においては、これにより、各スーパーキャパシタが1.95ボルトの最大名目電圧に晒されることとなる。他の実施例においては、異なるスーパーキャパシタまたは容量性装置が用いられる。   Supercapacitors 207 and 208 are rated at 2.3 volts, so they are placed in series to ensure that they are nominally exposed to only half of the voltage between rails 203 and 204. Become. In this embodiment, this exposes each supercapacitor to a maximum nominal voltage of 1.95 volts. In other embodiments, different supercapacitors or capacitive devices are used.

通常の製造許容差およびその動作寿命にわたるスーパーキャパシタの特徴の変化のために、スーパーキャパシタのEPRが常に同一である可能性は極めて低くなる。したがって、別個のスーパーキャパシタに見られる電圧に何らかの不均衡が常に生じるだろう。この影響に対処するために、バランス209はスーパーキャパシタ205および206と並列に接続され、スーパーキャパシタをバランスの取れた状態に進めるための高電力消費モードと、スーパーキャパシタがバランスの取れた状態にある場合の低電力消費モードとを有する。   Due to normal manufacturing tolerances and changes in supercapacitor characteristics over its operating lifetime, it is very unlikely that the EPR of the supercapacitor will always be the same. Therefore, there will always be some imbalance in the voltage found on the separate supercapacitors. To address this effect, balance 209 is connected in parallel with supercapacitors 205 and 206, with a high power consumption mode to advance the supercapacitor to a balanced state, and the supercapacitor is in a balanced state. And a low power consumption mode.

便宜上、スーパーキャパシタ207の負端子とスーパーキャパシタ208の正端子との間の電気的接続は接合部210と称される。   For convenience, the electrical connection between the negative terminal of supercapacitor 207 and the positive terminal of supercapacitor 208 is referred to as junction 210.

図37に最もよく示されるように、バランス209は、レール203と204との間に延在する直列接続された3つの抵抗器211、212および213を含む抵抗電圧分割器ネットワークを含む。これらの抵抗器はそれぞれ22MΩ、4.99MΩおよび22MΩの公称抵抗値を有し、抵抗器211と212との間の接合部215において第1の基準電圧と、抵抗器212と213との間の接合部216において第2の基準電圧とを与える。好ましくは、抵抗器は1%以下の許容差を有する。   As best shown in FIG. 37, balance 209 includes a resistive voltage divider network that includes three resistors 211, 212 and 213 connected in series extending between rails 203 and 204. These resistors have nominal resistance values of 22 MΩ, 4.99 MΩ and 22 MΩ, respectively, between the first reference voltage at the junction 215 between resistors 211 and 212 and between resistors 212 and 213. A second reference voltage is applied at the junction 216. Preferably, the resistor has a tolerance of 1% or less.

バランス209はまた2つの低電力比較器219および220を含み、各々は、レール203に接続された正の供給レール221と、レール204に接続された負の供給レール222とを備える。0.1μFセラミックキャパシタ223は、高周波過渡電流を短絡させるために設けられる。   Balance 209 also includes two low power comparators 219 and 220, each comprising a positive supply rail 221 connected to rail 203 and a negative supply rail 222 connected to rail 204. The 0.1 μF ceramic capacitor 223 is provided to short-circuit the high frequency transient current.

比較器219および220は各々、正入力225および226、負入力227および228、ならびに出力229および230を有する。入力225および226はそれぞれ接合部216および215に直接接続されて、第2および第1の基準電圧にアクセスする。2つの0.01μFセラミックキャパシタ231はそれぞれの入力225および226と接合部210との間に延在して、高周波過渡電流をフィルタにかける。   Comparators 219 and 220 have positive inputs 225 and 226, negative inputs 227 and 228, and outputs 229 and 230, respectively. Inputs 225 and 226 are directly connected to junctions 216 and 215, respectively, to access the second and first reference voltages. Two 0.01 μF ceramic capacitors 231 extend between respective inputs 225 and 226 and junction 210 to filter high frequency transients.

入力227と228とは接合部210に接続される。   Inputs 227 and 228 are connected to junction 210.

出力229は383Ω抵抗器232に接続され、これが、低漏洩のBAV199タイプ
のダイオード233に直列接続される。同様に、出力230は383Ω抵抗器234に接続され、これが低漏洩のBAV199タイプのダイオード235に直列接続される。また図示のとおり、ダイオードはそれぞれの他の端部が接合部210に接続されている。
The output 229 is connected to a 383Ω resistor 232, which is connected in series with a low leakage BAV199 type diode 233. Similarly, output 230 is connected to a 383Ω resistor 234, which is connected in series with a low leakage BAV199 type diode 235. Also, as shown, the other end of each diode is connected to the junction 210.

この実施例においては、比較器219および220はMaxim MAX9119比較器であり、各々は、供給電圧が3.9ボルト(バランス209のための予想される最大動作電圧)の場合、室温で約410nAを得る。完全を期すために、以下のとおり言及される:
1.比較器は各々、1.8ボルトの供給電圧(比較器のための最小動作電圧)で動作する場合、典型的には室温で350nAを得る。
In this example, comparators 219 and 220 are Maxim MAX9119 comparators, each of which provides approximately 410 nA at room temperature when the supply voltage is 3.9 volts (the maximum expected operating voltage for balance 209). obtain. For completeness, the following is mentioned:
1. Each comparator typically obtains 350 nA at room temperature when operated with a supply voltage of 1.8 volts (minimum operating voltage for the comparator).

2.比較器は各々、5ボルトで電力供給される場合、典型的には最大1.2μAを得る。   2. Each comparator typically gets a maximum of 1.2 μA when powered at 5 volts.

3.上述の数値は、装置201のための最大動作温度であり、これは85℃である。   3. The above figures are the maximum operating temperature for the device 201, which is 85 ° C.

比較器219および220が3.9ボルトの最大供給電圧で通常約70℃未満の温度で動作すると仮定すると、各比較器によって得られる典型的な電流が500nA未満であり、装置の寿命にわたる平均が約410nAとなることが分かった。明らかに、この電流は、装置201が晒されるそれぞれの環境に応じて当該装置201によって異なるだろう。加えて、当業者には理解されるように、バッテリ205が放電するとその電圧は降下する。   Assuming that comparators 219 and 220 operate at a maximum supply voltage of 3.9 volts, typically at temperatures below about 70 ° C., the typical current obtained by each comparator is less than 500 nA, and the average over the lifetime of the device is It was found to be about 410 nA. Obviously, this current will vary from device 201 to device 201 depending on the respective environment to which the device 201 is exposed. In addition, as will be appreciated by those skilled in the art, when battery 205 is discharged, its voltage drops.

バランス209は、スーパーキャパシタ207および208にわたる電圧を、スーパーキャパシタが回復不能な損傷を被り易くなる値未満に維持する。スーパーキャパシタ207および208については、その電圧は名目上2.3ボルトである。バランス209は安全マージンを含み、バッテリ205によって与えられる最大3.9ボルトに基づき、各スーパーキャパシタにわたる最大電圧を2.15ボルト未満に維持する。   Balance 209 maintains the voltage across supercapacitors 207 and 208 below a value that makes the supercapacitor susceptible to irreparable damage. For supercapacitors 207 and 208, the voltage is nominally 2.3 volts. Balance 209 includes a safety margin and keeps the maximum voltage across each supercapacitor below 2.15 volts based on the maximum 3.9 volts provided by battery 205.

他の実施例においては、たとえば異なる安全最大動作電圧、異なる形状因子、異なる静電容量などの異なる特徴を有する異なるスーパーキャパシタが用いられる。加えて、いくつかの実施例においては、電解キャパシタ、セラミックキャパシタなどの代替的な容量性装置が用いられる。   In other embodiments, different supercapacitors having different characteristics, such as different safe maximum operating voltages, different form factors, different capacitances, etc. are used. In addition, in some embodiments, alternative capacitive devices such as electrolytic capacitors and ceramic capacitors are used.

バランス209は、スーパーキャパシタ207および208がバランスの取れた状態である場合、すなわち、レール203と接合部210との間の電圧が接合部210とレール204との間の電圧と整合する場合、最小電流を得る。加えて、電圧が理想的な等しい電圧から少量、すなわち約10%未満しか前進しなかった場合、バランス209は最小電流を受け続ける。   Balance 209 is minimal when supercapacitors 207 and 208 are in a balanced state, i.e., when the voltage between rail 203 and junction 210 matches the voltage between junction 210 and rail 204. Get current. In addition, if the voltage has advanced a small amount, i.e. less than about 10%, from the ideal equal voltage, the balance 209 continues to receive a minimum current.

各比較器219および220は、レール203と204との間の十分な供給電圧によって電力供給される。供給電圧が、或る値、すなわち、この実施例ではバッテリ205からの十分な充電電圧である3.9ボルト、を決して超えないことが分かっているので、最大安全動作電圧を超える可能性なしに、分割された供給電圧をスーパーキャパシタ207および208のための基準として用いることができる。   Each comparator 219 and 220 is powered by a sufficient supply voltage between rails 203 and 204. Since it has been found that the supply voltage never exceeds a certain value, i.e., 3.9 volts, which is a sufficient charging voltage from the battery 205 in this embodiment, without the possibility of exceeding the maximum safe operating voltage. The divided supply voltage can be used as a reference for the supercapacitors 207 and 208.

比較器219および220は、スーパーキャパシタ207および208がバランスの取れた状態にある場合、1.8ボルトほどの低さの電圧で機能し、この1.8ボルトは各スーパーキャパシタにわたって0.9ボルトに変化する。   Comparators 219 and 220 function at voltages as low as 1.8 volts when supercapacitors 207 and 208 are in balance, which is 0.9 volts across each supercapacitor. To change.

スーパーキャパシタ207および208がバランスの取れた状態である場合、またはバランスが崩れるほどには動かされない場合、出力229および230はそれぞれ「ロー」および「ハイ」となる。これがダイオード233および235の両方に逆バイアスをかけると、これらのダイオードを流れる電流の流れは非常に少なくなる。典型的には、考慮されている動作電圧および温度では、このような電流は極めて小さくなり、結果として、比較器219および220によって得られる電流が最小となる。上述のように、その電流は、各比較器に対し数百ナノアンペアのオーダである。   When supercapacitors 207 and 208 are in a balanced state or are not moved so much that they are out of balance, outputs 229 and 230 are “low” and “high”, respectively. If this reverse biases both diodes 233 and 235, the current flow through these diodes is very low. Typically, at the operating voltage and temperature being considered, such current is very small, resulting in minimal current obtained by comparators 219 and 220. As mentioned above, the current is on the order of several hundred nanoamperes for each comparator.

スーパーキャパシタ207にわたる電圧がスーパーキャパシタ208にわたる電圧に比べて増大するので、最終的には(接合部216における)第2の基準電圧は接合部210における電圧を上回ることとなる。すなわち、最終的に、入力225における電圧は入力227における電圧を超えるだろう。これにより、比較器219の出力が「ハイ」になり、その後、ダイオード233に順バイアスがかけられる。したがって、低抵抗電流経路はレール203からレール204へと確立され、これがレール221、比較器219、出力229、抵抗器232、ダイオード233およびキャパシタ208を通って順次進められる。この電流経路は、レール203から、これによりスーパーキャパシタ207およびバッテリ205から有効に電流を得て、部分的にスーパーキャパシタ207を放電し、スーパーキャパシタ208をさらに充電し、これにより、スーパーキャパシタ間の電圧バランスを回復させる。電流はバランス電流と称される。   Eventually, the second reference voltage (at junction 216) will exceed the voltage at junction 210 because the voltage across supercapacitor 207 increases relative to the voltage across supercapacitor 208. That is, eventually, the voltage at input 225 will exceed the voltage at input 227. As a result, the output of the comparator 219 goes “high”, and then the diode 233 is forward biased. Thus, a low resistance current path is established from rail 203 to rail 204, which is sequentially advanced through rail 221, comparator 219, output 229, resistor 232, diode 233 and capacitor 208. This current path effectively obtains current from the rail 203, thereby supercapacitor 207 and battery 205, partially discharging the supercapacitor 207 and further charging the supercapacitor 208, and thereby between the supercapacitors. Restore voltage balance. The current is called a balance current.

バランス電流は主として抵抗器232を選択することによって制限される。この発明の実施例においては、抵抗器232の抵抗が383Ωであれば、バランス電流は約3〜4mAに制限される。他の実施例においては、抵抗器232は、最大で比較器219の出力229から送出され得るまでの異なるバランス電流を送出するよう選択される。いくつかの実施例においては、最大バランス電流は、ダイオード233によって搬送可能な最大動作電流によって決定される。   The balance current is limited primarily by selecting resistor 232. In an embodiment of the invention, if the resistance of resistor 232 is 383Ω, the balance current is limited to about 3-4 mA. In other embodiments, resistor 232 is selected to deliver a different balance current up to that which can be delivered from output 229 of comparator 219. In some embodiments, the maximum balance current is determined by the maximum operating current that can be carried by the diode 233.

比較器219は固有のヒステリシスを含む。したがって、入力225における電圧が所定量下がって入力227における電圧を下回ると、出力229は「ロー」に駆動されるだろう。これによりダイオード233に逆バイアスがかけられ、上述の電流経路が有効に除去される。ヒステリシスは他の実施例においては、比較器219の適切なピン(図示せず)に接続された抵抗分割器(図示せず)を用いることによって所定の値に設定される。この発明の実施例については、ヒステリシスの典型的な値は4mVであるが、ただし、これは温度によって異なる。加えて、4mVの範囲は帯域の最上部からその最低部にわたる。したがって、入力は、出力が状態を変える前にこの量の半分だけ基準を上回るかまたは当該基準を下回らなければならない。   Comparator 219 includes inherent hysteresis. Thus, when the voltage at input 225 drops a predetermined amount below the voltage at input 227, output 229 will be driven “low”. As a result, the diode 233 is reverse-biased, and the above-described current path is effectively removed. In other embodiments, the hysteresis is set to a predetermined value by using a resistor divider (not shown) connected to an appropriate pin (not shown) of the comparator 219. For embodiments of the invention, a typical value of hysteresis is 4 mV, but this varies with temperature. In addition, the 4 mV range extends from the top of the band to its bottom. Thus, the input must exceed or fall below the reference by half this amount before the output changes state.

この実施例においては、ヒステリシスの作用により、スーパーキャパシタがさほどバランスを崩さず、ほんの僅かな量のエネルギを消費してスーパーキャパシタをバランスの取れた状態に進ませることが確実となる。ほんの一例として、より高い(上昇する)電圧を有するスーパーキャパシタがそれぞれの比較器の状態を変えると、その比較器は、スーパーキャパシタの電圧が少なくともヒステリシス帯域の幅の量だけ下がればその元の状態に戻るだろう。上述のとおり、そのヒステリシス帯域はこの実施例においては典型的には4mVである。これらの値を例として用いると、各キャパシタにおけるエネルギ変化は3.9ボルトの供給電圧では約8.2mJとなる。この特定のエネルギ変化は、指標となる一方で、供給電圧、温度などの多くの要因に依存することが当業者に理解されるだろう。   In this embodiment, the action of hysteresis ensures that the supercapacitor does not lose much balance and consumes only a small amount of energy to advance the supercapacitor to a balanced state. By way of example only, if a supercapacitor with a higher (rising) voltage changes the state of each comparator, the comparator will return to its original state if the supercapacitor voltage drops at least by the amount of the width of the hysteresis band. Would return. As described above, the hysteresis band is typically 4 mV in this embodiment. Using these values as an example, the energy change in each capacitor is about 8.2 mJ at a supply voltage of 3.9 volts. It will be appreciated by those skilled in the art that this particular energy change is indicative but depends on many factors such as supply voltage, temperature, and the like.

他の実施例においては、抵抗器232および234のために異なる量のヒステリシスおよび/または異なる値の抵抗が用いられる。   In other embodiments, different amounts of hysteresis and / or different values of resistance are used for resistors 232 and 234.

代替例においては、スーパーキャパシタ208にわたる電圧はスーパーキャパシタ207にわたる電圧に比べて増大する。これにより、最終的には(接合部215における)第1の基準電圧が接合部210における電圧を下回ることとなる。すなわち、最終的に、入力226における電圧が入力228における電圧未満となるだろう。これにより、比較器220の出力が「ロー」になり、その後、ダイオード234に順バイアスがかけられる。したがって、低抵抗電流経路は接合部210からレール204へと確立され、これがダイオード235、抵抗器234、出力230およびレール222を通じて順次進められる。この電流経路は接合部210から、これによりスーパーキャパシタ208から有効に電流を得ている。同時に、接合部210における電圧が減じられると、スーパーキャパシタ207は、レール203から、これによりバッテリ205から電流を得るだろう。   In the alternative, the voltage across supercapacitor 208 is increased relative to the voltage across supercapacitor 207. This ultimately causes the first reference voltage (at junction 215) to be less than the voltage at junction 210. That is, eventually, the voltage at input 226 will be less than the voltage at input 228. As a result, the output of the comparator 220 goes “low”, and then the diode 234 is forward biased. Thus, a low resistance current path is established from junction 210 to rail 204, which is sequentially advanced through diode 235, resistor 234, output 230 and rail 222. This current path effectively obtains current from the junction 210 and thereby from the supercapacitor 208. At the same time, when the voltage at junction 210 is reduced, supercapacitor 207 will obtain current from rail 203 and thereby from battery 205.

電流経路に沿った電流の流れは抵抗器234を選択することによって制限される。   Current flow along the current path is limited by selecting resistor 234.

比較器220はまた、約4mVの固有のヒステリシスを含む。したがって、入力226における電圧が入力228における電圧を上回る所定量を超えると、この実施例においては所定量は約2mVであるが、出力230は「ロー」に駆動されるだろう。これによりダイオード234に逆バイアスがかけられ、上述の電流経路が有効に除去される。他の実施例においては、ヒステリシスは、比較器220の適切なピン(図示せず)に接続された抵抗分割器(図示せず)を用いることによって所定の値に設定される。   Comparator 220 also includes an inherent hysteresis of about 4 mV. Thus, if the voltage at input 226 exceeds a predetermined amount above the voltage at input 228, the predetermined amount is about 2 mV in this example, but output 230 will be driven "low". As a result, the diode 234 is reverse-biased, and the above-described current path is effectively removed. In other embodiments, the hysteresis is set to a predetermined value by using a resistor divider (not shown) connected to an appropriate pin (not shown) of the comparator 220.

ダイオードに順バイアスがかけられると、バランス209の動作はスーパーキャパシタとバッテリとの間でエネルギを再分配することになるが、より高い電圧でスーパーキャパシタからエネルギのうちいくらかを消散させるだろう。しかしながら、電圧が低く、スーパーキャパシタにわたる電圧の差しか対処されないので、電圧バランスを維持する際に消散されるエネルギの量も少なくなる。   When the diode is forward biased, the operation of balance 209 will redistribute energy between the supercapacitor and the battery, but will dissipate some of the energy from the supercapacitor at higher voltages. However, since the voltage is low and only the voltage across the supercapacitor can be addressed, the amount of energy dissipated in maintaining voltage balance is also reduced.

構造および応用例に応じて、スーパーキャパシタのバランスを崩れさせるのに数時間または数日または数週間かかる。これが発生し、比較器のうちの1つが切換わってそれぞれのダイオードに順バイアスがかけられると、供給電圧が3.9ボルトである場合スーパーキャパシタにわたる電圧の差が約0.4ボルトとなる。したがって、この実施例においては、スーパーキャパシタをバランスの取れた状態に戻すには、最悪の場合エネルギ差が熱として消散されると仮定すると、約8.2mJかかることとなる。すなわち、8.2mJは一方のスーパーキャパシタから除去される際に消散し、別の8.2mJは他方のスーパーキャパシタを満たすよう電源から抽出される。後者のエネルギが他方のスーパーキャパシタに貯蔵され、消散されないことに留意することが重要である。   Depending on the structure and application, it can take hours or days or weeks to break the balance of the supercapacitor. When this occurs and one of the comparators switches to forward bias each diode, the voltage difference across the supercapacitor is approximately 0.4 volts when the supply voltage is 3.9 volts. Therefore, in this embodiment, it takes about 8.2 mJ to return the supercapacitor to a balanced state, assuming that the energy difference is dissipated as heat in the worst case. That is, 8.2 mJ dissipates when removed from one supercapacitor, and another 8.2 mJ is extracted from the power supply to fill the other supercapacitor. It is important to note that the latter energy is stored in the other supercapacitor and is not dissipated.

一方、抵抗バランスネットワークは典型的には、スーパーキャパシタの予想される最大漏れ電流の少なくとも10倍、場合によってはそれよりもはるかに多くを継続的に得る。これにより、図36に示されるバランスで達成され得るよりもはるかに大量のエネルギ損失がもたらされる。平均すると、純粋な抵抗バランスの抵抗器は、スーパーキャパシタの電流の10倍を搬送する場合、スーパーキャパシタによって失われるエネルギの10倍を失うだろう。いくつかの応用例においてはこのようなレベルのエネルギ消散は全面的に許容可能であるが、動作寿命を損なうために許容され得ない応用例も他にはある。図36の実施例を用いると、再度バランスを取る必要がない場合にバランス209によって必要とされる安定した電力が、スーパーキャパシタの漏洩のみに失われた電力と比較可能であり、これは、純粋な抵抗バランスの場合と同様に、その値の10倍未満である。   On the other hand, a resistive balance network typically continuously obtains at least 10 times the maximum expected leakage current of a supercapacitor, and in some cases much more. This results in a much greater amount of energy loss than can be achieved with the balance shown in FIG. On average, a purely balanced resistor would lose 10 times the energy lost by the supercapacitor if it carries 10 times the current of the supercapacitor. In some applications, this level of energy dissipation is entirely acceptable, but there are other applications that cannot be tolerated to compromise the operating life. Using the embodiment of FIG. 36, the stable power required by balance 209 when no need to rebalance can be compared to the power lost to supercapacitor leakage only, which is purely As in the case of a good resistance balance, the value is less than 10 times.

アクティブまたはアクティブおよび抵抗素子を有するバランスの利点は、より高温の応用例にはより顕著になるだろう。特に、動作温度がより高いために、スーパーキャパシタからの漏れ電流が高くなる。したがって、純粋な抵抗バランスを有効にするには、抵抗が
はるかに低いものとなるだろう。しかしながら、これにより、結果として得られるバランスのための有効電力消費がより増えることとなる。
The advantage of balancing with active or active and resistive elements will be more pronounced for higher temperature applications. In particular, since the operating temperature is higher, the leakage current from the supercapacitor increases. Therefore, to enable pure resistance balance, the resistance will be much lower. However, this results in more active power consumption for the resulting balance.

抵抗器211、212および213は第1および第2の基準電圧を供給するよう選択され、このため、それらの相対的な抵抗はそれらを選択する際のファクタとなる。しかしながら、これらは、その中を流れる電流を最小限にするために絶対的に高い抵抗を有するよう選択される。すなわち、その電流が継続的に流れる場合、これはバッテリ205上の一定の漏洩を表わすが、これにより、装置201の実行時間が、適度でないとしても、不必要に損なわれることとなる。   Resistors 211, 212, and 213 are selected to provide the first and second reference voltages, so their relative resistance is a factor in selecting them. However, they are selected to have an absolutely high resistance to minimize the current flowing through them. That is, if the current continues to flow, this represents a constant leakage on the battery 205, which will unnecessarily spoil the execution time of the device 201, even if it is not reasonable.

スーパーキャパシタ207および208がバランスの取れた状態である場合、またはバランス電圧に近い電圧範囲内である場合、比較器219および220がダイオード233および235にそれぞれ逆バイアスをかけ、比較器に電力を供給するのに必要とされる電流だけがバランス209によって得られる。最大バッテリ電圧が3.9ボルトであると仮定すると、各比較器が約410nAを得るので、約1.6μWずつを消散することとなる。この公称値が、関連する電圧および温度を含むさまざまなファクタに依存することが理解されるだろう。バランス209のおおよその総電力要件は、任意のバランス抵抗器を用いなければ、3.9Vで約3.5μWである。   When supercapacitors 207 and 208 are in a balanced state or within a voltage range close to the balanced voltage, comparators 219 and 220 reverse-bias diodes 233 and 235, respectively, to supply power to the comparator Only the current required to do so is obtained by the balance 209. Assuming the maximum battery voltage is 3.9 volts, each comparator will get about 410 nA, which will dissipate about 1.6 μW. It will be appreciated that this nominal value depends on a variety of factors including the associated voltage and temperature. The approximate total power requirement for balance 209 is about 3.5 μW at 3.9 V without using any balance resistor.

ダイオード233および235は、逆バイアスがかけられた場合に最小電流がそれらの中を流れる点において、漏れが少ない。この場合、逆バイアス電流は、使用されている電圧で数nAのオーダである。   Diodes 233 and 235 are less leaky in that the minimum current flows through them when reverse biased. In this case, the reverse bias current is in the order of several nA at the voltage used.

好ましくは、スーパーキャパシタ207および208または使用されている他のいかなる容量性装置も、漏れの少ない特性を有する。この実施例においては、スーパーキャパシタ207および208のEPRは、それらが被った電圧および電流では2MΩのオーダである。スーパーキャパシタを通るこれらの漏れ電流を最小限にし、装置201のための最大実行時間を確実にするために、スーパーキャパシタはさらに高いEPRを含むよう優先的に選択される。これはまた、バランス209がより有効に機能することを可能にする利点を有する。特に好ましい実施例においては、cap-XX, Inc.によって販売され、約2MΩのEPRを含むモデル番号GS105と称されるスーパーキャパシタが用いられる。   Preferably, supercapacitors 207 and 208 or any other capacitive device being used have low leakage characteristics. In this embodiment, the EPR of the supercapacitors 207 and 208 is on the order of 2 MΩ for the voltage and current they incur. To minimize these leakage currents through the supercapacitor and ensure maximum run time for the device 201, the supercapacitor is preferentially selected to include a higher EPR. This also has the advantage of allowing the balance 209 to function more effectively. In a particularly preferred embodiment, a supercapacitor sold by cap-XX, Inc., referred to as model number GS105 with an EPR of about 2 MΩ is used.

スーパーキャパシタがバランスの取れた状態にあるバランス209のおおよその電流消費が、以下の表に記載されるが、別個の構成要素は別個に詳述される。   The approximate current consumption of the balance 209 with the supercapacitor in a balanced state is listed in the table below, but the separate components are detailed separately.

Figure 2006517733
Figure 2006517733

バランス209は、回路202の動作寿命中にバッテリ205によって維持される電圧が比較器219および220によって必要とされる最小動作電圧を常に上回る応用例として設計される。この実施例においては、その最低値は1.8ボルトであり、このため、そ
の基準が満たされる。というのも、回路202は、機能するのに端子203と204との間に少なくとも2.5ボルトを必要とするからである。すなわち、その動作寿命中常に、比較器219および220は、スーパーキャパシタ207と208との間で電圧をバランスさせるよう動作するだろう。
Balance 209 is designed as an application where the voltage maintained by battery 205 during the operational life of circuit 202 always exceeds the minimum operating voltage required by comparators 219 and 220. In this embodiment, the minimum value is 1.8 volts, so that the criterion is met. This is because circuit 202 requires at least 2.5 volts between terminals 203 and 204 to function. That is, throughout its operating life, comparators 219 and 220 will operate to balance the voltage between supercapacitors 207 and 208.

この発明の実施例はさまざまな応用例に適用可能であり、たとえば、ノートブックPC;バーコードスキャナ;PDA;GSMおよび/またはGPRS機能を実現するようなCFカード;GSMおよび/またはGPRS機能を実現するようなPCカード;デジタルカメラ;カメラフラッシュ;ストロボ;通行料金徴収用トランスポンダ/タグ;レストランでのページング装置;テレビ用のリモコンおよび他の電子装置;車、ボート、模型飛行機などの無線制御の装置および他の玩具を含む玩具;光電池/パネル;計算機、時計、照明、ビーコン(海洋および航空)を含む太陽電池式の装置;隔離/遠隔電話システム;コードレス電話、携帯電話、衛星電話および他の通信装置を含む電話;庭用の照明(特に太陽光線を利用するもの);フラッシュライト;燃料電池;携帯用の電子機器;ロボットアクチュエータを含むロボット工学;供給部から離れているようなソレノイドアクチュエータ;短期間高電流アクチュエータ;電気ハイブリッド車;義肢;ソナーブイ;警告ブイ;電動工具;燃料電池式の装置などが含まれる。しかしながら、2つの比較器で実現される装置209は、比較的低電力でのバランスを必要とするような応用例および/またはバランスが取れた状態である場合にキャパシタごとに0.9ボルトまで下がった電圧で作動させるためにバランスさせることが必要であるような応用例に最適である。   Embodiments of the invention are applicable to various applications, such as notebook PCs; barcode scanners; PDAs; CF cards that implement GSM and / or GPRS functions; GSM and / or GPRS functions PC card; digital camera; camera flash; strobe; toll collection transponder / tag; restaurant paging device; TV remote control and other electronic devices; wireless control devices such as cars, boats, model airplanes And other toys including toys; photovoltaic cells / panels; calculators, clocks, lighting, solar powered devices including beacons (ocean and aviation); isolation / remote phone systems; cordless phones, cell phones, satellite phones and other communications Telephones including equipment; garden lighting (especially those using sunlight); Fuel cells; Portable electronics; Robotics including robot actuators; Solenoid actuators such as remote from supply; High current actuators for short periods; Electric hybrid vehicles; Prosthetic limbs; Sonar buoys; Warning buoys; Battery powered devices are included. However, the device 209 implemented with two comparators can be as low as 0.9 volts per capacitor in applications and / or in a balanced state that requires a relatively low power balance. Ideal for applications that need to be balanced to operate at different voltages.

この発明の他の実施例は動作期間についての措置を含むが、この場合、レール203と204との間の電圧は、比較器219および220を動作するのに必要とされる最小値を一時的に下回る。このような一実施例には図38に示されるバランス241があり、対応する特徴は対応する参照番号で示される。   Other embodiments of the present invention include measures for the duration of operation, in which case the voltage between rails 203 and 204 temporarily reduces the minimum value required to operate comparators 219 and 220. Below. One such embodiment has the balance 241 shown in FIG. 38, with corresponding features indicated by corresponding reference numbers.

バランス209の上のバランス241内に含まれる付加的な構成要素は2つのバランス抵抗器243および244であり、これらはともに10MΩの抵抗を有する。抵抗器243はスーパーキャパシタ207と並列になるようレール203と接合部210との間に延在するが、抵抗器243はスーパーキャパシタ208と並列になるよう接合部210とレール204との間に延在する。これらの抵抗器はバランス抵抗器として機能するが、ただし、バランス241内の他の構成要素の動作のために異なるように機能する。特に、バランス抵抗器は、それらの抵抗器を通る電流が予想される動作温度および電圧でスーパーキャパシタの漏れ電流をはるかに上回ることを確実にするようには選択されない。すなわち、純粋な抵抗バランスは、その効果を達成するために、通常スーパーキャパシタの漏れ電流の約5〜10倍の電流を得るように選択される抵抗値を有する。しかしながら、この実施例においては、抵抗器243および244は同じ基準では選択されない。というもの、これらは、レール203と204との間の電圧が、比較器219および220を動作させるのに必要な最小値である1.8ボルトを下回る場合に動作するだけでよいからである。したがって、より低い電圧でのバランス電流が比較的小さくなる場合、抵抗器243および244の抵抗は予想されるよりも高くなる。これは、スーパーキャパシタがバランスの取れた状態である場合に、抵抗器243および244がその搬送する電流を最小限にするように選択されることを可能にする付加的な利点を有する。   Additional components included in balance 241 above balance 209 are two balance resistors 243 and 244, both having a resistance of 10 MΩ. Resistor 243 extends between rail 203 and junction 210 in parallel with supercapacitor 207, but resistor 243 extends between junction 210 and rail 204 in parallel with supercapacitor 208. Exists. These resistors function as balance resistors, but function differently due to the operation of the other components in balance 241. In particular, the balance resistors are not selected to ensure that the current through them is well above the supercapacitor leakage current at the expected operating temperature and voltage. That is, a pure resistance balance has a resistance value that is typically selected to obtain a current that is about 5-10 times the leakage current of the supercapacitor to achieve its effect. However, in this embodiment, resistors 243 and 244 are not selected on the same basis. This is because they only need to operate when the voltage between rails 203 and 204 is below the minimum value of 1.8 volts required to operate comparators 219 and 220. Thus, if the balance current at the lower voltage is relatively small, the resistance of resistors 243 and 244 will be higher than expected. This has the added advantage of allowing resistors 243 and 244 to be selected to minimize their current carrying when the supercapacitor is in a balanced state.

抵抗器243および244が含まれることにより、3.9ボルトを供給するバッテリ205に基づいて追加の0.2μAが回路によって得られる。上述の表を参照すると、これにより、約1.1μAの全電流がバランス241によってバッテリ205から得られ、スーパーキャパシタがバランスの取れた状態となる。   By including resistors 243 and 244, an additional 0.2 μA is provided by the circuit based on battery 205 supplying 3.9 volts. Referring to the table above, this results in a total current of approximately 1.1 μA being obtained from the battery 205 by the balance 241 and the supercapacitor is in a balanced state.

絶えず動作させるのに十分な電圧が比較器に供給されない状況においても、いくつかの
比較器はバランス抵抗器243および244を必要としないだろう。この場合、比較器は、動作不可能であるとき低抵抗電流経路を確立することができず、不均衡が生じないようにすべて同様に挙動する。このことは、比較器が動作しないがそれぞれのダイオードを順バイアスがかけられた状態に維持する場合、または比較器の出力インピーダンスが、スーパーキャパシタ207と208との間にその後不均衡を引起す実質的な電流の流れを妨げるのに十分に高いものである場合、起こらないだろう。
Some comparators may not require balance resistors 243 and 244 even in situations where sufficient voltage is not supplied to the comparator to operate continuously. In this case, the comparators cannot establish a low resistance current path when inoperable and all behave in the same way so that no imbalance occurs. This means that if the comparator does not work but keeps the respective diodes forward biased, or the output impedance of the comparator subsequently causes an imbalance between the supercapacitors 207 and 208. If it is high enough to hinder typical current flow, it will not happen.

抵抗器243および244が含まれているのは、低電圧である間にスーパーキャパシタ207と208との間に生じる不均衡についての問題のためではない。これは主として、十分な供給電圧が回復されると現れるであろう電圧の不均衡に対処するためである。回復が、典型的になされるように迅速になされる場合、スーパーキャパシタのうちの1つが許容不可能な高電圧に晒されるおそれがある。このような事象の一例には、バッテリ205が、それが約2.5ボルトの電圧しか供給しないという点で費やされると、3.9ボルトを供給する十分に充電された同様のバッテリと交換されるものがある。   Resistors 243 and 244 are included not due to problems with the imbalance that occurs between supercapacitors 207 and 208 while at low voltage. This is primarily to deal with voltage imbalances that would appear once sufficient supply voltage is restored. If recovery is done as quickly as is typically done, one of the supercapacitors may be exposed to unacceptably high voltages. One example of such an event is that the battery 205 is replaced with a fully charged similar battery that supplies 3.9 volts when it is consumed in that it only supplies a voltage of about 2.5 volts. There is something.

バランス209は、不均衡な電圧分配が検出されると、スーパーキャパシタ207および208に対するバランスを回復するよう作用する。上述の実施例においては、その回復は主として消散を通じて達成される。すなわち、より高い電圧におけるスーパーキャパシタは消散抵抗器を通じて放電される。これに応じて、バッテリは、より低い電圧でスーパーキャパシタをさらに充電させる。他の実施例においては、その回復は、より高い電圧でのキャパシタの放電を含む技術のうちの1つまたはその組合せにより、または、最大電圧を有するキャパシタから電荷を除去し、これを回路における他のキャパシタのうちの1つ以上に移動させることによって達成される。   Balance 209 acts to restore balance to supercapacitors 207 and 208 when an unbalanced voltage distribution is detected. In the embodiment described above, the recovery is achieved primarily through dissipation. That is, the supercapacitor at the higher voltage is discharged through the dissipation resistor. In response, the battery further charges the supercapacitor at a lower voltage. In other embodiments, the recovery may be done by one or a combination of techniques including discharging the capacitor at a higher voltage, or by removing charge from the capacitor having the maximum voltage, which may be Achieved by moving to one or more of the capacitors.

バランス209の主要な利点は以下のとおりである:
1.スーパーキャパシタをバランスの取れた状態に進めるのに必要とされる場合、単に高い電力およびエネルギ消費モードであり、そうでない場合、低い電力およびエネルギ消費モードである。
The main benefits of Balance 209 are as follows:
1. When needed to advance the supercapacitor to a balanced state, it is simply a high power and energy consumption mode, otherwise it is a low power and energy consumption mode.

2.スーパーキャパシタがバランスの取れた状態にある場合、非常に少量の電力が消費され、これにより、バッテリによって電力供給された装置のための実行時間の向上が可能となる。   2. When the supercapacitor is in a balanced state, a very small amount of power is consumed, which allows for improved run time for devices powered by a battery.

3.バランス抵抗器が使用される必要がなく、これにより、スーパーキャパシタがバランスの取れた状態にある場合でも、バッテリまたは他の源からかなりのエネルギが消耗されるのを防ぐ。   3. A balance resistor need not be used, thereby preventing significant energy from being drained from the battery or other source even when the supercapacitor is in a balanced state.

4.バランス抵抗器が用いられる場合でも、より高い値の抵抗は所望の機能を達成するのに有効であり、これによりエネルギ損失を最小にする。   4). Even when a balance resistor is used, a higher value resistor is effective to achieve the desired function, thereby minimizing energy loss.

上述の実施例はすべて、バッテリによって電力供給される回路の文脈において提供されてきたが、他のエネルギ貯蔵装置、コンセントの電源などであろうと、他の形の電源を有する回路に等しく適用可能である。   All of the above embodiments have been provided in the context of a battery powered circuit, but are equally applicable to circuits with other forms of power supply, whether other energy storage devices, outlet power supplies, etc. is there.

装置201の正味の影響は、1対のスーパーキャパシタの有効な平均漏れ電流が、漏れがより多いものと等しくされることである。図36において用いられる特定のスーパーキャパシタについては、これらの漏れ電流は典型的には0.1〜5μアンペアのオーダである。したがって、2つのスーパーキャパシタがその範囲の両端にある場合でも、付加的な電流の流れは小さく、このため、消費される付加的な電力も小さくなる。すなわち、装置201は、スーパーキャパシタをバランスさせるエネルギ効率の良い手段を提供する。バ
ランス209の動作を最適化するために、スーパーキャパシタ207および208は装置1内に含まれる前にEPR値のために整合される。しかしながら、典型的にはこれで終わりではなく、上述のように、両方のスーパーキャパシタがそれらの規格内の値を下回る漏れ電流を有する限り、当該対の正味の漏れは、この発明の上述の好ましい実施例とともに用いられる場合、規格の範囲内となるだろう。
The net effect of the device 201 is that the effective average leakage current of a pair of supercapacitors is made equal to more leakage. For the particular supercapacitor used in FIG. 36, these leakage currents are typically on the order of 0.1-5 μA. Thus, even if the two supercapacitors are at the ends of the range, the additional current flow is small and therefore the additional power consumed is also small. That is, device 201 provides an energy efficient means of balancing supercapacitors. To optimize the operation of balance 209, supercapacitors 207 and 208 are matched for the EPR value before being included in device 1. However, typically this is not the end, and as described above, as long as both supercapacitors have leakage currents below their specifications, the net leakage of the pair is the above preferred of the present invention. When used with the examples, it will be within the standards.

図39を参照すると、図36および図37のバランス209の代用にできる代替的なバランス251が示される。すなわち、装置251を用いてスーパーキャパシタ207および208に電圧バランスを与える。この場合、スーパーキャパシタは各々、2.3ボルトの見積られた最大動作電圧を有する0.5ファラドの炭素二重層装置である。他の実施例の場合と同様に、バランス251がキャパシタなどの他のエネルギ貯蔵装置をバランスさせるのに適用可能であることが理解されるだろう。   Referring to FIG. 39, there is shown an alternative balance 251 that can be substituted for the balance 209 of FIGS. That is, voltage balance is applied to the supercapacitors 207 and 208 using the device 251. In this case, each supercapacitor is a 0.5 farad carbon double layer device with an estimated maximum operating voltage of 2.3 volts. It will be appreciated that the balance 251 can be applied to balance other energy storage devices, such as capacitors, as in other embodiments.

バランス251は、等価抵抗の2つの抵抗器253および254を有する抵抗分割器ネットワークを含む。これらの抵抗器は接合部255において接触し、レール203と204との間の電圧の半分である基準電圧を供給する。この実施例においては、等しい抵抗は33.2MΩであるが、ただし、他の実施例においては異なる値が用いられる。これらの抵抗器は、バッテリ205からエネルギを絶えず消散するので、高抵抗を有するよう選択される。   The balance 251 includes a resistor divider network having two resistors 253 and 254 of equivalent resistance. These resistors make contact at junction 255 and provide a reference voltage that is half the voltage between rails 203 and 204. In this embodiment, the equal resistance is 33.2 MΩ, although different values are used in other embodiments. These resistors are selected to have a high resistance because they constantly dissipate energy from the battery 205.

バランス251はまた、接合部255を備えた電圧フォロア構成で設定されるMAX4470演算増幅器256を含む。より特定的には、増幅器256は、出力257、接合部255と直接接続される正入力258、および出力257と直接接続される負入力259を含む。10nF電解キャパシタ260は、高周波過渡電流にフィルタをかけるよう入力258からレール204に延在する。   Balance 251 also includes a MAX 4470 operational amplifier 256 set in a voltage follower configuration with junction 255. More specifically, amplifier 256 includes an output 257, a positive input 258 directly connected to junction 255, and a negative input 259 directly connected to output 257. A 10 nF electrolytic capacitor 260 extends from input 258 to rail 204 to filter high frequency transients.

抵抗器253および254が高抵抗を有するよう選択されるが、その抵抗に対するより高い値は、増幅器256によって得られるバイアス電流の大きさによって規定される。すなわち、バイアス電流がエラーを生成し、これは、全体として回路の設計に適応されなければならない。この実施例においては、増幅器256に対するバイアス電流は典型的には約0.2nAであり(ただし最大で約4.25nA)、抵抗器253および254は、電圧エラーをレール203と204との間の電圧の半分の約50mV内に維持するよう選択されている。   Resistors 253 and 254 are selected to have a high resistance, but a higher value for that resistance is defined by the magnitude of the bias current obtained by amplifier 256. That is, the bias current generates an error that must be adapted to the overall circuit design. In this embodiment, the bias current for amplifier 256 is typically about 0.2 nA (but up to about 4.25 nA), and resistors 253 and 254 cause voltage errors between rails 203 and 204. It has been selected to maintain within about 50 mV of half the voltage.

増幅器256は、レール203に接続された正の供給レール261と、レール204に接続された負の供給レール262とを含む。すなわち、この実施例においては、増幅器256はバッテリ205によって供給される最大電圧で動作する。   Amplifier 256 includes a positive supply rail 261 connected to rail 203 and a negative supply rail 262 connected to rail 204. That is, in this embodiment, amplifier 256 operates at the maximum voltage supplied by battery 205.

100nFキャパシタ263はレール203と204との間に接続されて、演算増幅器への電源上の高周波ノイズを最小限にする。   A 100 nF capacitor 263 is connected between rails 203 and 204 to minimize high frequency noise on the power supply to the operational amplifier.

増幅器256の出力257は470Ω抵抗器264の一方の端部に接続され、これを駆動する。その抵抗器はそのもう一方の端部が接合部210に接続されている。   The output 257 of the amplifier 256 is connected to one end of the 470Ω resistor 264 and drives it. The other end of the resistor is connected to the junction 210.

増幅器256は電圧フォロアモードで動作し、基準電圧はレール203と204との間の供給電圧の2分の1である。すなわち、出力257は、基準電圧と実質的に同じ電圧になるよう駆動される。必然的に、スーパーキャパシタ207および208のうちの1つにおける内部漏れ電流はもう一方の漏れ電流よりも大きく、接合部210における電圧は、より大きな漏れ電流を有するスーパーキャパシタ上の電圧が減るように変化するだろう。このことが起こると、増幅器256は、抵抗器264を流れる電流を、電圧の変化を減ず
る方向に駆動し、これにより、スーパーキャパシタ207と208との間の電圧バランスを維持するだろう。
Amplifier 256 operates in a voltage follower mode and the reference voltage is one half of the supply voltage between rails 203 and 204. That is, the output 257 is driven so as to be substantially the same voltage as the reference voltage. Inevitably, the internal leakage current in one of the supercapacitors 207 and 208 is greater than the other leakage current, so that the voltage at the junction 210 is reduced so that the voltage on the supercapacitor with the larger leakage current is reduced. It will change. When this happens, amplifier 256 will drive the current through resistor 264 in a direction that reduces the change in voltage, thereby maintaining the voltage balance between supercapacitors 207 and 208.

長期間の定常状態後に抵抗器264を流れる電流は、スーパーキャパシタ207および208の対の漏れ電流間の差にほぼ等しくなるだろう。製造された装置における許容漏れ電流への制限が許容可能であり、スーパーキャパシタ207および208を最初に良好に整合させる場合、上述の2つのうちのより大きな方の漏れ電流が許容可能となり、これはさほど変化しないため、バランス251の電力消費がさらに最小にされる。   The current flowing through resistor 264 after a long period of steady state will be approximately equal to the difference between the leakage current of the supercapacitors 207 and 208 pair. If the limit to the allowable leakage current in the manufactured device is acceptable and the supercapacitors 207 and 208 are initially well matched, then the larger of the above two leakage currents will be acceptable, which is Since it does not change that much, the power consumption of the balance 251 is further minimized.

抵抗器264の値は、電圧の不均衡が増すにつれてバランス電流がいかに急速に増大するかを決定する。この値はまた、増幅器256が所望のバランス電流をソースまたはシンクすることができるとすれば、不均衡がいかに迅速に訂正されるかを決定する。   The value of resistor 264 determines how quickly the balance current increases as the voltage imbalance increases. This value also determines how quickly the imbalance is corrected if the amplifier 256 can source or sink the desired balance current.

増幅器264は図示の構成において安定しているが、いくつかの増幅器は、図示の大きさの容量性負荷を備える場合、一定していない。したがって、設計者は、増幅器256を選択する際にこれを考慮に入れる必要がある。このような選択には、テスト回路の開発や、その綿密なシミュレートが含まれる。なお、高い値のスーパーキャパシタ、たとえばスーパーキャパシタ207および208は、キャパシタよりもむしろ純粋な抵抗負荷に近い増幅器256のようであることもある。   While amplifier 264 is stable in the illustrated configuration, some amplifiers are not constant when provided with a capacitive load of the illustrated magnitude. Therefore, the designer needs to take this into account when selecting the amplifier 256. Such a selection includes the development of a test circuit and a thorough simulation thereof. It should be noted that high value supercapacitors, such as supercapacitors 207 and 208, may be like an amplifier 256 close to a pure resistive load rather than a capacitor.

バランス251は、電圧の不均衡がスーパーキャパシタ207および208上に現われるまで最小限の電流を得る。さらに、不均衡が生じた場合でも、バランス251が要求する電流の増加分は、おおよその電圧バランスを維持するのに必要とされるその電流だけである。すなわち、所要の消散電流、またはバランス電流は漏れ電流の差に実質的に等しくなる。これは、バランス251などのバランス回路に対するバッテリ205からのほぼ最適な電流漏洩と考えられる。   Balance 251 obtains minimal current until a voltage imbalance appears on supercapacitors 207 and 208. Furthermore, even if an imbalance occurs, the only increase in current required by balance 251 is that current required to maintain an approximate voltage balance. That is, the required dissipation current or balance current is substantially equal to the difference in leakage current. This is considered to be a substantially optimal current leakage from the battery 205 to a balance circuit such as the balance 251.

スーパーキャパシタ207と208とがバランスの取れた状態である場合のバランス251に対するおおよその電流消費が以下の表に示される。別個の構成要素は別個に詳述される。   The approximate current consumption for balance 251 when supercapacitors 207 and 208 are in a balanced state is shown in the table below. Separate components are detailed separately.

Figure 2006517733
Figure 2006517733

増幅器256のための電流は、4.6Vおよび室温で動作するその増幅器に対する典型的な値である。より高温では、その電流はより高くなるだろう。たとえば、70℃では、増幅器256によって得られる典型的な電流値は820nAである。しかしながら、増幅器256の全体的な動作温度範囲について、最大電流の定常電流漏洩は4.6ボルトでは1.2μAであることが理解されるだろう。   The current for amplifier 256 is typical for that amplifier operating at 4.6 V and room temperature. At higher temperatures, the current will be higher. For example, at 70 ° C., a typical current value obtained by amplifier 256 is 820 nA. However, it will be appreciated that for the overall operating temperature range of amplifier 256, the maximum current steady state current leakage is 1.2 μA at 4.6 volts.

単一の演算増幅器を用いる装置251は、(レール203および204にわたって)約2.25ボルト以上の、キャパシタおよび/または演算増幅器によって決定される値までの電圧で動作可能である。装置251に最適な応用例は低電力でバランスさせることを必要とする応用例を含む。このような応用例には、ノートブックPC、バーコードスキャナ
、PDA、GSMやGPRSなどのCFカード、GSMやGPRSなどのPCカード、デジタルカメラ、カメラフラッシュ、ストロボ、通行料金徴収用トランスポンダまたはタグ、レストランでのページング装置、テレビ用のリモコンまたは他の電子装置、車、ボートなどを含む玩具、玩具を含む無線制御された装置、計算機、時計、照明、および海洋や航空用途のビーコンを含む太陽電池式の装置、隔離した電話システム、コードレス電話を含む電話、ソーラー照明を含む庭用照明、フラッシュライト、光電池またはパネル、燃料電池、まだ述べられていない携帯用の電子機器、ロボットアクチュエータを含むロボット工学、ソレノイドアクチュエータ、遠隔配置された短期間高電流アクチュエータ、電気自動車、義肢、他の通信装置、ならびに電動工具が含まれる。この明細書中の教示により、当業者は他のこのような実施例の応用例およびその同等例を理解するだろう。
The device 251 using a single operational amplifier can operate with a voltage (over rails 203 and 204) of about 2.25 volts or more, up to a value determined by the capacitor and / or operational amplifier. Applications that are optimal for device 251 include applications that require balancing at low power. Examples of such applications include notebook PCs, barcode scanners, PDAs, CF cards such as GSM and GPRS, PC cards such as GSM and GPRS, digital cameras, camera flashes, strobes, toll collection transponders or tags, Restaurant paging device, TV remote control or other electronic devices, toys including cars, boats, etc., wirelessly controlled devices including toys, calculators, clocks, lighting, and solar cells including beacons for marine and aviation applications Devices, isolated phone systems, phones including cordless phones, garden lighting including solar lighting, flashlights, photovoltaic cells or panels, fuel cells, portable electronics not yet mentioned, robotics including robot actuators Solenoid actuator, remote placed short term High current actuator, an electric vehicle, prostheses, other communication devices, as well as power tools. With the teachings in this specification, one of ordinary skill in the art will appreciate applications of other such embodiments and equivalents thereof.

この発明の代替的な実施例、すなわち保護装置271が図40に示される。対応する特徴は対応する参照番号で示される。装置271は装置251に類似しており、同様に動作するが、2つの付加的なバランス抵抗器273および274を含む。当該バランス抵抗器273および274は各々、11.5MΩの抵抗を有する。これらの抵抗器は図38の抵抗器243および244に類似しており、同じ機能を与えるために含まれている。応用例の中には抵抗器273および274によってもたらされる機能を必要とするものもあるが、これは、装置271が必要とする電流を最終的には増大させる。この例においては、バッテリ205が十分に充電された4.6ボルトの電圧を供給すると仮定すると、約0.2μAの付加的な電流が得られる。したがって、装置271の全定常電流消費は室温で約1.05μAとなる。   An alternative embodiment of the present invention, the protection device 271 is shown in FIG. Corresponding features are indicated by corresponding reference numbers. Device 271 is similar to device 251 and operates similarly, but includes two additional balance resistors 273 and 274. The balance resistors 273 and 274 each have a resistance of 11.5 MΩ. These resistors are similar to resistors 243 and 244 of FIG. 38 and are included to provide the same function. Some applications require the function provided by resistors 273 and 274, which ultimately increases the current required by device 271. In this example, assuming that battery 205 supplies a fully charged voltage of 4.6 volts, an additional current of about 0.2 μA is obtained. Therefore, the total steady current consumption of the device 271 is about 1.05 μA at room temperature.

装置251および271は、スーパーキャパシタ207および208の「バランスの取れた状態」と「バランスの崩れた状態」とに応じて、高抵抗状態と低抵抗状態との間で漸進的に進む。不均衡が存在する場合にだけ装置が低抵抗状態に向かって進められると、バッテリ205から得られる電流は最小になる。   The devices 251 and 271 progressively move between a high resistance state and a low resistance state in response to the “balanced state” and “unbalanced state” of the supercapacitors 207 and 208. If the device is advanced toward a low resistance state only when an imbalance exists, the current available from the battery 205 is minimized.

装置251および271は、図示のとおり、2つのスーパーキャパシタを保護しかつバランスさせることを意図するものである。しかしながら、上述の装置はともに、スーパーキャパシタまたは他の容量性素子をいくつでも保護しかつバランスさせるよう拡張可能である。たとえば、図41は、3つのスーパーキャパシタ207、208および282のバランスを取る保護装置281を示す。便宜上、対応する特徴は対応する参照番号で示される。装置251および271は、4つ以上のスーパーキャパシタまたは他の容量性素子をバランスさせるようさらに拡張可能であることがこの明細書中の教示から当業者に理解されるだろう。直列接続された多くのスーパーキャパシタが存在するような実施例においては、抵抗分割器電圧基準から得られたバイアス電流が、接続可能な演算増幅器の数に対する実際的な限界を示すだろうことが明らかになった。しかしながら、これは、必要に応じて第2または後続の抵抗分割器を追加することによって対処される。   Devices 251 and 271 are intended to protect and balance the two supercapacitors as shown. However, both of the devices described above can be extended to protect and balance any number of supercapacitors or other capacitive elements. For example, FIG. 41 shows a protection device 281 that balances three supercapacitors 207, 208 and 282. For convenience, corresponding features are indicated by corresponding reference numbers. It will be appreciated by those skilled in the art from the teachings herein that devices 251 and 271 can be further expanded to balance four or more supercapacitors or other capacitive elements. In embodiments where there are many supercapacitors connected in series, it is clear that the bias current obtained from the resistor divider voltage reference will present a practical limit on the number of operational amplifiers that can be connected. Became. However, this is addressed by adding a second or subsequent resistor divider as required.

スーパーキャパシタ282は、回路と電圧分割器ネットワークに追加される付加的な抵抗器283との上部に追加され、供給レール203と204との間に延在する。抵抗器283は接合部284における第2の基準電圧を第2の増幅器285に供給する。図示のとおり、増幅器285はレール203およびスーパーキャパシタ207と208との中間点、すなわち接合部210から電力を得る。すなわち、装置281は、特に抵抗分割器ネットワークを除いては、繰返される装置251の或る素子を含む。これは、各増幅器が2つの隣接したスーパーキャパシタをバランスさせる場合、実際にはカスケード構成となる。すなわち、n個のスーパーキャパシタをバランスさせるには(n−1)個の増幅器が必要であるが、n個の抵抗器を有する抵抗分割器ネットワークは1つだけでよい。   A supercapacitor 282 is added on top of the circuit and an additional resistor 283 added to the voltage divider network and extends between supply rails 203 and 204. Resistor 283 provides a second reference voltage at junction 284 to second amplifier 285. As shown, the amplifier 285 obtains power from the rail 203 and the midpoint between the supercapacitors 207 and 208, the junction 210. That is, device 281 includes certain elements of device 251 that are repeated, except for the resistor divider network. This is actually a cascaded configuration where each amplifier balances two adjacent supercapacitors. That is, (n-1) amplifiers are required to balance n supercapacitors, but only one resistor divider network with n resistors is required.

いくつかの実施例においては、増幅器が必要とするバイアス電流を組合わせた結果とし
て生じる電圧エラーを所要の応用例のために許容可能なレベルにまで減ずるために、抵抗分割器ネットワークにおける抵抗値253、254および283を減ずる必要がある。定常状態においては、スーパーキャパシタが全く同じ漏れ電流を有する場合、増幅器に電力を供給するのに用いられる電流は隣接する増幅器の出力によって部分的に供給されるだろう。この影響を最小限にするために、増幅器は、低定常電力消費だけでなく高入力インピーダンスをも有するよう選択される。
In some embodiments, the resistance value 253 in the resistor divider network is used to reduce the voltage error resulting from the combination of bias currents required by the amplifier to an acceptable level for the required application. 254 and 283 need to be reduced. In steady state, if the supercapacitor has exactly the same leakage current, the current used to power the amplifier will be partially supplied by the output of the adjacent amplifier. To minimize this effect, the amplifier is selected to have a high input impedance as well as a low steady state power consumption.

図40に戻ると、装置271は、供給電圧、すなわちレール203と204との間の電圧が増幅器256の動作に必要な最小値よりも高いままの状態で動作するよう意図されている。この実施例においては、増幅器256は、供給電圧が約2.25ボルトを上回るならば正しく動作する。これはまた、キャパシタ上の電圧が等しく、入力バイアス電流エラーが最大50mVまでである同相モード電圧要件を可能にする。装置271に対する供給電圧の上限は、キャパシタ207および208に対する許容可能な組合わされた最大電圧と、増幅器256に対する最大電圧限度とのうちの低い方によって決定される。後者については、この実施例では6ボルトとなる。   Returning to FIG. 40, device 271 is intended to operate with the supply voltage, ie, the voltage between rails 203 and 204, still higher than the minimum required for operation of amplifier 256. In this embodiment, amplifier 256 operates correctly if the supply voltage is above about 2.25 volts. This also allows common mode voltage requirements where the voltages on the capacitors are equal and the input bias current error is up to 50 mV. The upper supply voltage limit for device 271 is determined by the lower of the allowable combined maximum voltage for capacitors 207 and 208 and the maximum voltage limit for amplifier 256. The latter is 6 volts in this embodiment.

他の実施例においては、装置271は、供給電圧がその最低値を下回っている回路に適用される。スーパーキャパシタを確実にバランスの取れた状態に維持するために、増幅器256が一時的に動作しないにもかかわらず、装置271は、スーパーキャパシタと並列に配置されたバランス抵抗器(図示せず)を含む。先の実施例に関して記載されるように、保護装置が機能する状態であると仮定すると、バランス抵抗器の値は、許容できる不均衡を最小限にするよう選択される。   In another embodiment, device 271 is applied to a circuit where the supply voltage is below its minimum value. In order to ensure that the supercapacitor remains balanced, the device 271 includes a balancing resistor (not shown) placed in parallel with the supercapacitor, even though the amplifier 256 is temporarily not operating. Including. As described with respect to the previous embodiment, assuming that the protection device is functional, the value of the balance resistor is selected to minimize an acceptable imbalance.

増幅器256の出力インピーダンスが十分に高い場合、バランス抵抗器を必要とせずに低供給電圧で装置271を動作させることができる。しかしながら、増幅器256は、低供給電圧で低出力インピーダンスを有する場合、出力257における電圧を基準値から遠ざける傾向があり、これにより、キャパシタ207および208が必然的に不均衡になる。これにより、供給電圧を再び上げるかまたは供給部を再接続するるときにスーパーキャパシタ207および208のうちのどちらかに損傷を与える危険性が増大する。   If the output impedance of the amplifier 256 is sufficiently high, the device 271 can be operated with a low supply voltage without the need for a balance resistor. However, when amplifier 256 has a low output impedance at a low supply voltage, it tends to move the voltage at output 257 away from the reference value, which inevitably imbalances capacitors 207 and 208. This increases the risk of damaging either of the supercapacitors 207 and 208 when the supply voltage is increased again or the supply is reconnected.

増幅器256は、増幅器への入力における電圧が特定の値の同相モード電圧を超えるようにレール203と204との間の電圧が下がる場合、動作を正常に停止させるだろう。この同相モード電圧は、演算増幅器を正しく機能させるための両方の入力電圧に対する許容範囲である。この実施例において用いられる演算増幅器については、この範囲は、接地、すなわち0ボルトから1.1ボルト未満のプラスの供給レールの電圧までの間である。当業者に理解されるように、演算増幅器のいずれかの入力がより高い値を上回る場合、演算増幅器は正しく機能しないだろう。   Amplifier 256 will cease operation normally if the voltage between rails 203 and 204 drops so that the voltage at the input to the amplifier exceeds a certain value of the common mode voltage. This common mode voltage is an acceptable range for both input voltages in order for the operational amplifier to function properly. For the operational amplifier used in this embodiment, this range is between ground, ie, the voltage of the positive supply rail below 0 volts and below 1.1 volts. As will be appreciated by those skilled in the art, if any input of the operational amplifier exceeds a higher value, the operational amplifier will not function properly.

装置271は、約1.0ボルトからの非常に低い供給電圧でバランスを取る必要があるような応用例に最適であるが、この場合、全体的な設計上の制約内で、上述の他の実施例よりも高い供給電流を得ることが可能である。   Device 271 is ideal for applications that need to be balanced with very low supply voltages from about 1.0 volts, but in this case, within the overall design constraints, It is possible to obtain a higher supply current than in the embodiment.

装置271はバランス抵抗器273および274を含み、この同じ効果は装置251を用いることにより他の実施例(図示せず)で達成されるが、抵抗器253および254は、電圧分割機能に加えてバランス機能を実行するのに必要な電流を流せるように低い抵抗値を有する。明らかに、このような実施例における抵抗器253および254の抵抗は、電圧分割機能が同様に実行されることを確実にするために比例的に同じままである。   Device 271 includes balance resistors 273 and 274, and this same effect is achieved in other embodiments (not shown) by using device 251, but resistors 253 and 254 are added to the voltage divider function. It has a low resistance so that the current necessary to perform the balance function can flow. Obviously, the resistance of resistors 253 and 254 in such an embodiment remains proportionally the same to ensure that the voltage division function is performed as well.

この発明のさらなる実施例が図42に示され、対応する特徴は対応する参照番号で示される。特に、保護およびバランス装置291は装置271に類似しており、スーパーキャ
パシタ207および208をアクティブにバランスさせかつこれらを保護するのと同じ態様で動作する。しかしながら、装置291は低い電圧で動作するよう構成されており、約1ボルトほどの低い供給電圧でアクティブにバランスさせかつ保護する。
A further embodiment of the invention is shown in FIG. 42, and corresponding features are indicated by corresponding reference numerals. In particular, the protection and balancing device 291 is similar to the device 271 and operates in the same manner as actively balancing and protecting the supercapacitors 207 and 208. However, device 291 is configured to operate at a low voltage and actively balances and protects with a supply voltage as low as about 1 volt.

この実施例においては、スーパーキャパシタ207および208は、2.3ボルトの指定最大動作電圧を有する100ファラドの炭素二重層装置である。他の実施例においては、他の容量を有するスーパーキャパシタおよびキャパシタはバランスが取られかつ保護されている。この実施例で用いられる演算増幅器は、上述の実施例に比べて高い電流を得るが、より低い電圧で機能することができる。そのため、この実施例は高エネルギおよび電力消費を伴うような応用例や、典型的には、容量の高いスーパーキャパシタが必要とされるような応用例にも最適である。このような応用例には電気ハイブリッド車が含まれる。とは言っても、装置291は低電力の応用例にも好適であり、演算増幅器が消費する電流が典型的には前述の実施例における電流の9倍を上回るものの、それでもなお絶対的には低電力の保護およびバランス装置である。   In this example, supercapacitors 207 and 208 are 100 farad carbon double layer devices with a specified maximum operating voltage of 2.3 volts. In other embodiments, supercapacitors and capacitors with other capacities are balanced and protected. The operational amplifier used in this embodiment obtains a higher current than the previous embodiment, but can function at a lower voltage. Thus, this embodiment is also ideal for applications involving high energy and power consumption, and typically where high capacity supercapacitors are required. Such applications include electric hybrid vehicles. That said, the device 291 is also suitable for low power applications, where the current consumed by the operational amplifier is typically more than nine times that of the previous embodiment, but still absolutely. Low power protection and balance device.

抵抗器253および254は各々3.32MΩの抵抗を有するが、抵抗器264は20Ωの抵抗を有する。セラミックキャパシタ260および263はともに100nファラド装置である。他の実施例においては、他の高周波数タイプのキャパシタが用いられる。   Resistors 253 and 254 each have a resistance of 3.32 MΩ, while resistor 264 has a resistance of 20Ω. Ceramic capacitors 260 and 263 are both 100 n Farad devices. In other embodiments, other high frequency type capacitors are used.

抵抗器253および254は以下の理由から比較的低い値を有する:
・静電容量が高い応用例においては、漏れ電流が比較的高いので、演算増幅器および抵抗器を含むバランス電流源の正味のインピーダンスを低く維持して抵抗器にわたる降下を最小限にするといった利点がある。
Resistors 253 and 254 have relatively low values for the following reasons:
In high capacitance applications, the leakage current is relatively high, which has the advantage of keeping the net impedance of the balanced current source including the operational amplifier and resistor low and minimizing the drop across the resistor is there.

・演算増幅器は、3ボルトで19mAのオーダで比較的高い電流を駆動することができるが、出力短絡に対しても比較的許容性が高い。これにより、スーパーキャパシタが高い漏れを生じさせる場合には演算増幅器の特徴によって電流を制限することが可能となる。   The operational amplifier can drive a relatively high current on the order of 19 mA at 3 volts, but is also relatively tolerant to output shorts. This allows the current to be limited by the characteristics of the operational amplifier when the supercapacitor causes high leakage.

キャパシタ260は、抵抗器およびキャパシタを含むサブ回路のRC時定数を維持するよう比較的高い値を有する。この実施例においては比較的低い値の抵抗器が用いられるので、同程度のフィルタリング効果を得るために静電容量がより大きなキャパシタが用いられる。実用的には、コストおよび大きさを考慮すると、全く同じRC時定数をもたらすために静電容量を増大させないようにすることがしばしば求められる。   Capacitor 260 has a relatively high value to maintain the RC time constant of the sub-circuit including the resistor and capacitor. Since a relatively low value resistor is used in this embodiment, a capacitor having a larger capacitance is used to obtain the same level of filtering effect. In practice, considering cost and size, it is often required not to increase the capacitance to provide the exact same RC time constant.

装置291は、MAX4289タイプの演算増幅器292を含む。   Device 291 includes an operational amplifier 292 of the MAX4289 type.

図40の実施例と同様に、2つのキャパシタをバランスさせかつ保護する装置291が示されているが、これは、キャパシタをいくつでもバランスさせかつ保護するよう拡張可能である。   Similar to the embodiment of FIG. 40, a device 291 is shown that balances and protects two capacitors, but it can be extended to balance and protect any number of capacitors.

増幅器292を選択することにより、1.0ボルトほどの低さの全供給電圧、すなわちレール203と204との間の電圧で装置291を動作させることが可能となる。この特定の型およびモデルの増幅器に対する唯一の前提条件は、入力258および259における電圧を低く(供給電圧−0.2ボルト)維持することである。この前提条件は大抵の応用例で満たされる。前提条件が満たされない実施例においては、図43に示される代替的な装置293が用いられる。すなわち、装置294は実際には、115kΩのバランス抵抗器295および296を備えた装置291である。   By selecting the amplifier 292, it is possible to operate the device 291 with a total supply voltage as low as 1.0 volts, ie, the voltage between the rails 203 and 204. The only prerequisite for this particular type and model of amplifier is to keep the voltage at inputs 258 and 259 low (supply voltage -0.2 volts). This precondition is satisfied in most applications. In embodiments where the prerequisites are not met, an alternative device 293 shown in FIG. 43 is used. That is, device 294 is actually device 291 with 115 kΩ balance resistors 295 and 296.

同相モード範囲外であるが演算増幅器が依然として動作している間の電圧についての上述のコメントおよび記載はこの実施例に等しく適用される。なお、特にこの実施例におい
ては、演算増幅器の非反転入力または正入力における電圧はこの範囲には入り得ず、演算増幅器の反転入力または負入力における電圧は、上方のキャパシタがほぼ放電されており下方のキャパシタが依然としてほぼその両端に電圧を有する場合にのみ上述の範囲内に入るだろう。この後者の状態は標準的でも予想されるものでもないだろう。
The comments and descriptions above regarding voltages outside the common-mode range but while the operational amplifier is still operating apply equally to this embodiment. Particularly in this embodiment, the voltage at the non-inverting input or the positive input of the operational amplifier cannot fall within this range, and the voltage at the inverting input or the negative input of the operational amplifier is almost discharged from the upper capacitor. It will only fall within the above range if the lower capacitor still has a voltage across it. This latter situation is neither standard nor expected.

増幅器292は、たとえば増幅器256よりも低い電圧で動作可能であるが、より高い電流を得る。これにより、装置291および294は、典型的には漏れ電流が多い比較的静電容量の高いスーパーキャパシタおよびキャパシタを保護しかつバランスさせるのに最適となる。しかしながら、装置291および294は、9〜18μA(最大で40μA)の典型的な電流消費が不利点とはみなされない応用例にも適している。   Amplifier 292 can operate at a lower voltage than amplifier 256, for example, but obtains a higher current. This makes the devices 291 and 294 optimal for protecting and balancing relatively high capacitance supercapacitors and capacitors that typically have high leakage currents. However, devices 291 and 294 are also suitable for applications where typical current consumption of 9-18 μA (up to 40 μA) is not considered a disadvantage.

スーパーキャパシタがバランスの取れた状態である場合の装置291のおおよその電流消費が以下の表に示される。別個の構成要素は別個に詳述される。   The approximate current consumption of the device 291 when the supercapacitor is in a balanced state is shown in the table below. Separate components are detailed separately.

Figure 2006517733
Figure 2006517733

これにより、定常状態で消費される電流が約17μAとなることが示唆されるが、動作電圧がより低いので回路によって消費されるのが典型的にははるかに少なくなることが予想される。たとえば、レール203と204との間の電圧が1ボルトである場合、増幅器292は典型的には約9μA(典型的には最大約14μAまで)を得る。さらなる例では、レール203と204との間の電圧が3.0ボルトである場合、増幅器292は典型的には約12μA(典型的には最大約25μAまで)を得る。増幅器292が得る最大電流は、4.6Vで動作する場合、動作温度の全範囲にわたって40μA未満となることも分かるだろう。これらの電流は、スーパーキャパシタを名目上バランスさせる際に、これが定常状態であろうとなかろうと保護装置によって得られる。名目上のバランス状態は、増幅器292の入力258と259との間のゼロ電圧差によって規定される。名目上バランスの取れた状態では、スーパーキャパシタは全く等しい電圧に晒され得ないことが分かるだろう。しかしながら、典型的には、スーパーキャパシタにわたる電圧に比べて差はいずれも小さい。   This suggests that the current consumed in steady state is about 17 μA, but is expected to be typically much less consumed by the circuit because of the lower operating voltage. For example, if the voltage between rails 203 and 204 is 1 volt, amplifier 292 typically obtains about 9 μA (typically up to about 14 μA). In a further example, if the voltage between rails 203 and 204 is 3.0 volts, amplifier 292 typically obtains about 12 μA (typically up to about 25 μA). It will also be seen that the maximum current that amplifier 292 can obtain is less than 40 μA over the full operating temperature range when operating at 4.6V. These currents are obtained by the protective device whether it is in steady state or not when nominally balancing the supercapacitor. The nominal balance state is defined by the zero voltage difference between inputs 258 and 259 of amplifier 292. It will be appreciated that in a nominally balanced state, the supercapacitor cannot be exposed to exactly the same voltage. However, typically, any difference is small compared to the voltage across the supercapacitor.

電圧フォロア構成における1つ以上の演算増幅器を含む装置291などのこれらの保護装置については、比較器構成における1つ以上の演算増幅器を含む他の実施例とは対照的に、バランス電流がバランスの取れた状態から不均衡な状態に着実に進められる。抵抗器253および254は継続的に電流を得るが、抵抗器264を流れるバランス電流は、スーパーキャパシタが名目上バランスの取れた状態になるとゼロまたはゼロにごく近くなるが、スーパーキャパシタ207および208にわたる電圧の差が増すにつれて漸進的に増大する。すなわち、バランス電流は、スーパーキャパシタの電圧の不均衡が増すと増大する。   For these protection devices, such as device 291 that includes one or more operational amplifiers in a voltage follower configuration, the balance current is balanced in contrast to other embodiments that include one or more operational amplifiers in a comparator configuration. Steady progress is made from an unbalanced state to an unbalanced state. Resistors 253 and 254 continuously obtain current, but the balanced current flowing through resistor 264 is zero or very close to zero when the supercapacitor is nominally balanced, but over supercapacitors 207 and 208. It increases gradually as the voltage difference increases. That is, the balance current increases as the supercapacitor voltage imbalance increases.

上述の表に含まれる電流の数値は、キャパシタが名目上バランスの取れた状態にある場合の装置291についてのものである。この状態では装置291は最小電流を得るが、このため、高抵抗モードと称される。2つのスーパーキャパシタにわたる電圧がバランスの取れた状態ではない場合、より大きい電流が装置291を流れる。これは低抵抗モードと
称される。しかしながら、これらのモード間の移行は、移行が段階的である上述の他の実施例とは異なり、漸進的かつ連続的である。
The current numbers included in the above table are for the device 291 when the capacitors are nominally balanced. In this state, the device 291 obtains a minimum current and is therefore referred to as a high resistance mode. If the voltage across the two supercapacitors is not balanced, a larger current flows through device 291. This is referred to as a low resistance mode. However, the transition between these modes is gradual and continuous, unlike the other embodiments described above where the transition is gradual.

装置291が低抵抗モードである場合、バッテリ205から得られる電流が増大するが、典型的には短期間だけである。というのも、公称電圧バランスを回復するのに必要な電流がそれで十分だからである。   When device 291 is in the low resistance mode, the current available from battery 205 is increased, but typically only for a short period. This is because that is enough current to restore the nominal voltage balance.

長期間および/または定常状態では、装置291が送出する電流は最終的にスーパーキャパシタの漏れの間の差となるだろう。言い換えれば、バランス電流は典型的にはこの差によって決定される値でほぼ継続的に流れるだろう。スーパーキャパシタ間の温度差などの短期間の影響や不均衡に共有された他の環境要因に起因するより大きな過渡電流差が存在するだろう。   In long term and / or steady state, the current delivered by device 291 will ultimately be the difference between supercapacitor leakage. In other words, the balance current will typically flow almost continuously at a value determined by this difference. There will be larger transient current differences due to short-term effects such as temperature differences between supercapacitors and other environmental factors shared by imbalances.

図43に示される装置294は、バランス抵抗器295および296を含んでいるために、レール203と204との間の電圧が4.6ボルトである場合バッテリ205から付加的に20μAを得る。これにより、全電流漏洩が室温で約37μAとなる。電流消費の点では、装置294は、4.6ボルトの供給電圧では低電力消費モードで約170μWを消費する。   Since device 294 shown in FIG. 43 includes balance resistors 295 and 296, it obtains an additional 20 μA from battery 205 when the voltage between rails 203 and 204 is 4.6 volts. This results in a total current leakage of about 37 μA at room temperature. In terms of current consumption, device 294 consumes approximately 170 μW in the low power consumption mode at a supply voltage of 4.6 volts.

装置291および294は内部基準電圧を有する演算増幅器を用い、低電力でバランスさせることを必要とする応用例に最適であるが、この場合、各キャパシタ上の電圧は1.8ボルトを下回らない。また、供給電圧が十分に大幅なばらつきを被らないかまたは定期的もしくは頻繁に遮断されないことが好ましい。言い換えれば、この実施例は、供給電圧が絶えず存在しかつオンであるような応用例に最適である。いくつかのこのような応用例においては、供給電圧がその降下または遮断後に増大する際にバランス抵抗器がスーパーキャパシタのうちの1つ以上を異常に高い電圧にさらす危険性を減らすという点で、装置294を用いることが好ましい。   Devices 291 and 294 use operational amplifiers with internal reference voltages and are best suited for applications that require balancing at low power, but in this case the voltage on each capacitor does not fall below 1.8 volts. It is also preferred that the supply voltage does not suffer a sufficiently large variation or is not interrupted regularly or frequently. In other words, this embodiment is best suited for applications where the supply voltage is constantly present and on. In some such applications, the balance resistor reduces the risk of exposing one or more of the supercapacitors to an abnormally high voltage as the supply voltage increases after it drops or shuts down. Device 294 is preferably used.

この発明のさらなる実施例が図44および図45に示される。対応する特徴は対応する参照番号で示される。より特定的には、図44に最適に示されるように、(破線のブロックで表わされる)保護装置301は、別個であるが同様の直列接続された3つのサブ装置302、303および304を含む。図示のとおり、これらのサブ装置はそれぞれスーパーキャパシタ282、207および208と並列である。   A further embodiment of the invention is shown in FIGS. Corresponding features are indicated by corresponding reference numbers. More specifically, as best shown in FIG. 44, the protection device 301 (represented by the dashed block) includes three separate but similar series-connected sub-devices 302, 303 and 304. . As shown, these sub-devices are in parallel with supercapacitors 282, 207 and 208, respectively.

この実施例においては、スーパーキャパシタ282、207および208はすべて0.5ファラドの炭素二重層スーパーキャパシタである。他の実施例においては、代替的な容量スーパーキャパシタまたはキャパシタが用いられる。さらに、この具体的な実施例においては、直列接続された3つのサブ装置が用いられるが、他の実施例においては、直列接続された異なる数のスーパーキャパシタが用いられる。この明細書中の教示から、サブ装置302、303および304の各々が別個にそれぞれの容量性装置を監視および保護することが当業者には明らかとなるだろう。したがって、直列接続された任意の所望の数のキャパシタを保護するよう別個のサブ装置をカスケード接続することができる。   In this embodiment, supercapacitors 282, 207 and 208 are all 0.5 farad carbon double layer supercapacitors. In other embodiments, alternative capacitive supercapacitors or capacitors are used. Furthermore, in this specific embodiment, three sub-devices connected in series are used, while in other embodiments, a different number of supercapacitors connected in series are used. It will be apparent to those skilled in the art from the teachings herein that each of the sub-devices 302, 303 and 304 separately monitors and protects the respective capacitive device. Thus, separate sub-devices can be cascaded to protect any desired number of capacitors connected in series.

便宜上、レール203および204以外の導体は、スーパーキャパシタをサブ装置と並列に接続するものであるが、レール305および306と称される。   For convenience, the conductors other than rails 203 and 204, which connect the supercapacitor in parallel with the sub-device, are referred to as rails 305 and 306.

ここでサブ装置303を図45に関してより詳細に記載する。他のサブ装置が、それぞれ並列に接続されているスーパーキャパシタに対する同様の構成要素および機能を含むことが理解されるだろう。サブ装置303は比較器310を含み、これは、スーパーキャパシタ207にわたる電圧と比較器310によって内部に生成される基準電圧とに応じて比
較器の出力311において制御信号を供給する。放電回路は44.2kΩ抵抗器312の形であり、スーパーキャパシタ207を部分的に放電するための制御信号に応答して、スーパーキャパシタにわたる電圧を所定値未満に維持する。
Subdevice 303 will now be described in more detail with respect to FIG. It will be understood that other sub-devices include similar components and functions for each supercapacitor connected in parallel. Sub-unit 303 includes a comparator 310 that provides a control signal at the output 311 of the comparator in response to the voltage across supercapacitor 207 and the reference voltage generated internally by comparator 310. The discharge circuit is in the form of a 44.2 kΩ resistor 312 and maintains the voltage across the supercapacitor below a predetermined value in response to a control signal for partially discharging the supercapacitor 207.

比較器310はMAX9117タイプの演算増幅器であり、正入力313、負入力314、正の電力レール315および負の電力レール316を含む。レール315および316はレール305および306にそれぞれ直接接続されており、したがって、比較器310は、スーパーキャパシタ207にわたる電圧がいかなる電圧であろうと、それによって電力供給される。   Comparator 310 is a MAX 9117 type operational amplifier and includes a positive input 313, a negative input 314, a positive power rail 315 and a negative power rail 316. Rails 315 and 316 are connected directly to rails 305 and 306, respectively, so that comparator 310 is powered by whatever the voltage across supercapacitor 207 is.

装置303もまた、接合部319で接触しかつレール305と306との間に集合的に延在する直列接続された2つの抵抗器317および318を含む。すなわち、抵抗器はスーパーキャパシタ207と並列であり、したがって、接合部319における電圧はスーパーキャパシタにわたる電圧の固定比率である。この実施例においては、抵抗器317および318はそれぞれ22.1MΩおよび29.4MΩの抵抗を有する。また、装置310に高周波数安定性を与えるための3つのキャパシタ321、322および323が含まれる。この実施例においては、キャパシタ321、322および323は、それぞれ10nF、10nFおよび100nFの静電容量を有する。   Device 303 also includes two resistors 317 and 318 connected in series that contact at junction 319 and extend collectively between rails 305 and 306. That is, the resistor is in parallel with the supercapacitor 207, so the voltage at junction 319 is a fixed ratio of the voltage across the supercapacitor. In this example, resistors 317 and 318 have a resistance of 22.1 MΩ and 29.4 MΩ, respectively. Also included are three capacitors 321, 322, and 323 to provide the device 310 with high frequency stability. In this embodiment, capacitors 321, 322, and 323 have capacitances of 10 nF, 10 nF, and 100 nF, respectively.

入力313は接合部319に接続され、入力314はキャパシタ322を介してレール306に接続される。すなわち、入力313は、比例した態様であるにも係わらずレール305と306との間の電圧に応答し、内部基準電圧に接続された入力314は、レール306に短絡されている高周波電圧を除いては開回路である。   Input 313 is connected to junction 319, and input 314 is connected to rail 306 via capacitor 322. That is, the input 313 responds to the voltage between the rails 305 and 306 despite being in a proportional manner, and the input 314 connected to the internal reference voltage excludes the high frequency voltage shorted to the rail 306. Is an open circuit.

装置301は、レール203と204との間の動作電圧が5.4ボルトを下回らない応用例、または、より特定的には、スーパーキャパシタ207、208および282の各々にわたる動作電圧が1.8ボルトを下回らない応用例において用いられるよう設計される。   The device 301 can be used in applications where the operating voltage between rails 203 and 204 does not fall below 5.4 volts, or more specifically, the operating voltage across each of the supercapacitors 207, 208 and 282 is 1.8 volts. Designed to be used in applications that do not fall below.

比較器310は内部基準電圧を含み、スーパーキャパシタ208を独立して保護することを可能にする。上述の実施例においては、基準電圧はレール203と204との間の電圧から得られるが、この実施例においては、内部で生成された基準は、レール203と204との間の電圧またはレール305と306との間の電圧のどちらからも得られない。基準電圧をレール電圧からこのように切り離すことにより、各サブ装置を、保護されているスーパーキャパシタまたは他の容量性装置に対して独立して調整することが可能となる。これはまた、保護およびバランスを必要とする直列接続された異なる数の容量性装置を備えた応用例へと容易に拡張される保護機能のモジュール化を増大させる。   Comparator 310 includes an internal reference voltage, allowing supercapacitor 208 to be protected independently. In the above embodiment, the reference voltage is derived from the voltage between rails 203 and 204, but in this embodiment, the internally generated reference is the voltage between rails 203 and 204 or rail 305. And the voltage between 306 and 306 is not obtained. By separating the reference voltage from the rail voltage in this way, each sub-device can be adjusted independently with respect to the protected supercapacitor or other capacitive device. This also increases the modularization of protection functions that are easily extended to applications with different numbers of capacitive devices connected in series that require protection and balance.

接合部319における電圧が内部で生成された基準電圧未満である場合、出力311がレール306と実質的に同じ電圧になると比較器310は最小電流を得るだろう。しかしながら、接合部315における電圧が基準電圧を上回ると、出力311はレール305における電圧付近で駆動されるだろう。これにより、レール315、出力311および抵抗器312を介するレール305からレール306への電流経路が作製される。すなわち、スーパーキャパシタ208は部分的に放電され、これによりエネルギが抵抗器312において実質的に消散される。   If the voltage at junction 319 is less than the internally generated reference voltage, comparator 310 will get a minimum current when output 311 is substantially the same voltage as rail 306. However, if the voltage at junction 315 exceeds the reference voltage, output 311 will be driven near the voltage at rail 305. This creates a current path from rail 305 to rail 306 via rail 315, output 311 and resistor 312. That is, supercapacitor 208 is partially discharged, thereby dissipating energy substantially in resistor 312.

抵抗器317および318は、接合部315における電圧が基準電圧に等しくなるときレール315と316との間の電圧がスーパーキャパシタ208の最大動作電圧未満となるように選択される。この計算に含まれる安全係数の範囲は、設計パラメータと保護されている容量性装置の性質とに依存している。   Resistors 317 and 318 are selected such that the voltage between rails 315 and 316 is less than the maximum operating voltage of supercapacitor 208 when the voltage at junction 315 is equal to the reference voltage. The range of safety factors included in this calculation depends on the design parameters and the nature of the capacitive device being protected.

スーパーキャパシタ208が放電されると、接合部319における電圧は基準電圧よりも低くなる。比較器310のヒステリシスのために、この放電は一時的であるにもかかわらず継続するだろう。ヒステリシスに起因する遅延が過ぎると、出力311は再び、レール306と実質的に同じ電圧に駆動されるだろう。   When the supercapacitor 208 is discharged, the voltage at the junction 319 becomes lower than the reference voltage. Due to the hysteresis of the comparator 310, this discharge will continue despite being transient. Once the delay due to hysteresis has passed, output 311 will again be driven to substantially the same voltage as rail 306.

装置303は、このようにして、スーパーキャパシタ208にわたる電圧が所望の範囲内である場合には低電力消費モードと、高電力消費モードとの間で切替わって、スーパーキャパシタ208にわたる電圧をその範囲に戻す。これは、そのスーパーキャパシタにわたる電圧が不所望のレベルにまで増大する場合、スーパーキャパシタ208と並列な比較的低い抵抗経路を作り出すことによって達成される。しかしながら、電圧が許容可能なレベルに戻されると、装置303は、得られる電流が非常に少ないという点で、スーパーキャパシタ208と並列な非常に高い抵抗経路を呈する。したがって、スーパーキャパシタ208のための過電圧保護が、一貫して比較的高い電流を得る必要なしにもたらされる。このようにして、保護およびバランス回路の全体的な電力消費は、与えられる保護を損なうことなく減じられる。   The device 303 thus switches between a low power consumption mode and a high power consumption mode when the voltage across the supercapacitor 208 is within the desired range, and the voltage across the supercapacitor 208 is within that range. Return to. This is accomplished by creating a relatively low resistance path in parallel with supercapacitor 208 when the voltage across that supercapacitor increases to an undesirable level. However, when the voltage is returned to an acceptable level, device 303 presents a very high resistance path in parallel with supercapacitor 208 in that very little current is available. Thus, overvoltage protection for the supercapacitor 208 is provided without the need to consistently obtain relatively high currents. In this way, the overall power consumption of the protection and balance circuit is reduced without compromising the protection provided.

スーパーキャパシタ208が「安全な」動作電圧に保持されているサブ装置303のおおよその電流消費が以下の表に示される。別個の構成要素は別個に詳述される。   The approximate current consumption of sub-device 303 with supercapacitor 208 held at a “safe” operating voltage is shown in the table below. Separate components are detailed separately.

Figure 2006517733
Figure 2006517733

抵抗器317および318では、サブ装置303がアクティブになり、スーパーキャパシタ208を放電し始める公称電圧は、典型的には2.19ボルトである。同様の比較器間の許容差のために、この値は典型的な最大2.29ボルトと典型的な最小2.10ボルトとの間で変化する。   In resistors 317 and 318, the nominal voltage at which sub-device 303 becomes active and begins to discharge supercapacitor 208 is typically 2.19 volts. Due to tolerances between similar comparators, this value varies between a typical maximum of 2.29 volts and a typical minimum of 2.10 volts.

装置303が、放電またはバランス電流が流れている点で低抵抗モードである場合、抵抗器312を通る放電電流は、レール305と306との間の電圧が2.19ボルトであると仮定すれば、約50μAである。電流の量は、抵抗器312の抵抗を適切に選択することによって設定される。この例は以下の表に示される。   If device 303 is in a low resistance mode in that it is discharging or balancing currents, the discharge current through resistor 312 will be assumed if the voltage between rails 305 and 306 is 2.19 volts. , About 50 μA. The amount of current is set by appropriately selecting the resistance of resistor 312. Examples of this are shown in the table below.

Figure 2006517733
Figure 2006517733

室温では、比較器310、すなわちMAX9117タイプの比較器は、典型的には2.19ボルトで690nAを得る。同じ電圧であるが70℃では、比較器310が得るのは典型的には820nA未満となり、その温度および電圧では最大で1.3μA未満となる。   At room temperature, comparator 310, a MAX 9117 type comparator, typically obtains 690 nA at 2.19 volts. At the same voltage but at 70 ° C., the comparator 310 typically obtains less than 820 nA, and its temperature and voltage is less than 1.3 μA at maximum.

サブ装置302、303および304の各々が同様に配置された同様の構成要素を含む場合、比較器310のいずれか1つが対応するスーパーキャパシタを放電し始めると、バッテリ205が同時に他の2つのスーパーキャパシタを充電することが理解されるだろう。これにより電圧バランスが回復される。放電スーパーキャパシタ上の電圧が、電圧分割抵抗器317および318と比較器310に固有のヒステリシスとによって決定されるしきい値を下回る場合、放電が止まり、回路の電流消費がその休止状態の消費に戻る。   If each of the sub-devices 302, 303, and 304 includes similar components that are similarly arranged, when any one of the comparators 310 begins to discharge the corresponding supercapacitor, the battery 205 simultaneously It will be appreciated that the capacitor is charged. This restores the voltage balance. If the voltage on the discharge supercapacitor falls below a threshold determined by the voltage divider resistors 317 and 318 and the hysteresis inherent in the comparator 310, the discharge stops and the current consumption of the circuit is reduced to its quiescent consumption. Return.

サブ装置302、303および304は絶対基準電圧を用いて、バランスのとられたスーパーキャパシタすべてにわたる全電圧の比率を参照する代わりに、バランスおよび保護動作がいつ始まるべきかを決定する。結果として、装置301は、レール203と204との間の動作電圧が典型的には狭い範囲内のままであるような応用例に最適である。より好ましくは、電圧はより高いレベルのままである。好ましい応用例では、レール203および204がコンセントの電源に接続されるか、またはバッテリ205が定期的に再充電または交換される。このような応用例は以下のとおりである:
・数年間持続する長寿命のバッテリを用いた通行料金徴収用トランスポンダおよび他の装置。
Subdevices 302, 303 and 304 use the absolute reference voltage to determine when a balance and protection operation should begin instead of referring to the ratio of the total voltage across all balanced supercapacitors. As a result, device 301 is ideal for applications where the operating voltage between rails 203 and 204 typically remains within a narrow range. More preferably, the voltage remains at a higher level. In a preferred application, rails 203 and 204 are connected to a power source at the outlet, or battery 205 is periodically recharged or replaced. Examples of such applications are:
• Toll collection transponders and other devices using long-lasting batteries that last for several years.

・コンセントの電源によって電力供給されたほとんどの応用例。   • Most applications powered by an outlet power source.

・短い局所的な高電流を供給するようスーパーキャパシタが局所的にエネルギを貯蔵する応用例、たとえば、長い/薄いワイヤを介して電力供給されるかまたは低電流源から電力供給される遠隔配置されたソレノイドアクチュエータ。   Applications where the supercapacitor stores energy locally to supply a short local high current, eg remotely located, powered via a long / thin wire or from a low current source Solenoid actuator.

・ロボットアクチュエータおよびロボット工学全般。   ・ Robot actuators and robot engineering in general.

・レギュレータおよびDC−DCコンバータの出力において用いられるスーパーキャパシタとの組合せ。   A combination with a supercapacitor used at the output of the regulator and DC-DC converter.

サブ装置は、バランス動作が始まる電圧が通常の動作電圧に近くなるよう設計される。より特定的には、この構成においては、スーパーキャパシタ282、207および208に対する通常の動作電圧は、供給電圧が約6ボルトであることに基づいて、約2ボルトである。スーパーキャパシタは各々、定格で2.3ボルトとされる。比較器310は、その電圧が2.19ボルトに達すると高電力消費モードに切換わる。これは、供給電圧が通常の使用の際に約5.1ボルトを下回ると予想されず、6ボルトに回復されると、各キャパシタ上の電圧が約0.3ボルト上げられることに基づいている。そのため、個々のキャパシタ電圧は、再度バランスさせる前には(それらの特定の短期間での最大値である)2.5ボルトを超えないだろう。サブ装置は,このようにして、供給電圧が正常値よりも低い値でいくらか時間を費やす場合には、最大電圧が回復されても漏れの最も少ないスーパーキャパシタが過充電されないようにするための安全マージンを十分にすることを、設計上の制約内で確実にする。   The sub-device is designed so that the voltage at which the balancing operation begins is close to the normal operating voltage. More specifically, in this configuration, the normal operating voltage for supercapacitors 282, 207 and 208 is about 2 volts based on the supply voltage being about 6 volts. Each supercapacitor is rated at 2.3 volts. Comparator 310 switches to a high power consumption mode when its voltage reaches 2.19 volts. This is based on the fact that the supply voltage is not expected to drop below about 5.1 volts during normal use, and when restored to 6 volts, the voltage on each capacitor is raised by about 0.3 volts. . As such, individual capacitor voltages will not exceed 2.5 volts (which is their maximum value for a particular short period) before rebalancing. The sub-device is thus safe to prevent the supercapacitor with the least leakage from being overcharged when the maximum voltage is restored if the supply voltage spends some time below the normal value. Ensure that margin is sufficient, within design constraints.

上述のとおり、スーパーキャパシタにわたる電圧は、接合部319における分割される値によって決定される。この値は、比較器310によって内部に生成された基準電圧と比較される。この実施例については、基準電圧は名目上1.25ボルトである。入力を基準
としたヒステリシス電圧の全範囲は典型的には4mVである。
As described above, the voltage across the supercapacitor is determined by the value divided at junction 319. This value is compared with a reference voltage generated internally by the comparator 310. For this embodiment, the reference voltage is nominally 1.25 volts. The total range of hysteresis voltage with respect to the input is typically 4 mV.

比較器310によって供給される基準電圧は、レール305および306にわたる電圧とともに僅かに変化するが、これは、典型的には、装置310に印加する電圧の範囲としては僅かであることが理解されるだろう。基準電圧はまた温度とともに変化し、これは考慮されるべきである。   Although the reference voltage supplied by the comparator 310 varies slightly with the voltage across the rails 305 and 306, it is understood that this is typically a small range of voltages applied to the device 310. right. The reference voltage also varies with temperature and this should be taken into account.

3つのスーパーキャパシタと並列な装置301が示されているが、サブ装置は、2つ以上のキャパシタが用いられている直列のキャパシタネットワークに適用可能である。   Although a device 301 in parallel with three supercapacitors is shown, the sub-device is applicable to a series capacitor network where two or more capacitors are used.

装置301では、内部に生成された基準電圧を用いない他の実施例の回路よりも、比較器につき得られる電流が高くなる。しかしながら、比較器がより低い電圧でしか動作しない、すなわち、単一のスーパーキャパシタと並列にしか接続されていないので、バッテリ205から得られる電流が減じられる。   In the device 301, the current obtained for the comparator is higher than that of the circuit of another embodiment that does not use the internally generated reference voltage. However, the current available from the battery 205 is reduced because the comparator operates only at a lower voltage, i.e. only connected in parallel with a single supercapacitor.

他の実施例においては、装置301は、保護およびバランスを必要とする直列接続されたキャパシタの数に対応する異なる数の直列接続されたサブ装置を含む。すなわち、各キャパシタにはそれ自体のバランス回路が設けられており、このため、キャパシタは互いと同じである必要はない。すなわち、サブ装置は、抵抗器317および318の値を選択することによって、保護されるべき個々のキャパシタに対してカスタマイズ可能である。   In other embodiments, the device 301 includes a different number of series connected sub-devices corresponding to the number of series connected capacitors that require protection and balance. That is, each capacitor is provided with its own balance circuit, so that the capacitors need not be the same as each other. That is, the sub-device can be customized for the individual capacitors to be protected by selecting the values of resistors 317 and 318.

サブ装置303の代替的な実施例が図46に図示され、対応する特徴が対応する参照番号で示される。より特定的には、サブ装置331は、スーパーキャパシタ208と並列に接続された11MΩバランス抵抗器332を含む。抵抗器332は主として、低いかまたは存在しないソース電圧が適用されなければならないような応用例に固有のバランスを与えるためのものである。すなわち、ここでは、レール305と306との間の電圧が比較器310のための最小動作電圧を下回る。この実施例においては、その最小電圧は、これが比較器の310のもつ保証された最小の規定動作電圧に対応すると仮定すると、約1.8ボルトである。しかしながら、実際の比較器310が規格のばらつきのためにより低い電圧で動作する場合、サブ装置303はそのより低い電圧でも動作するだろう。他の実施例においては、代替的な比較器が用いられる。   An alternative embodiment of sub-device 303 is illustrated in FIG. 46, with corresponding features indicated by corresponding reference numbers. More specifically, sub-device 331 includes an 11 MΩ balance resistor 332 connected in parallel with supercapacitor 208. Resistor 332 is primarily intended to provide an inherent balance in applications where low or nonexistent source voltages must be applied. That is, here, the voltage between rails 305 and 306 is below the minimum operating voltage for comparator 310. In this embodiment, the minimum voltage is approximately 1.8 volts, assuming this corresponds to the guaranteed minimum specified operating voltage of comparator 310. However, if the actual comparator 310 operates at a lower voltage due to standard variations, the sub-device 303 will operate at that lower voltage. In other embodiments, an alternative comparator is used.

抵抗器332を含むことにより、バッテリ205から付加的かつ連続的な0.2μAが得られ、これにより、レール305と306との間の電位差が2.19ボルトであると仮定すると、装置331に対する全電流が約0.93μAで高抵抗モードにされる。   Including resistor 332 provides an additional and continuous 0.2 μA from battery 205, which assumes that the potential difference between rails 305 and 306 is 2.19 volts, relative to device 331. The total resistance is set to the high resistance mode at about 0.93 μA.

他の実施例においては、抵抗器317の値を調整することによってバランス抵抗器332が代用されることが当業者に理解されるだろう。   Those skilled in the art will appreciate that in other embodiments, the balance resistor 332 can be substituted by adjusting the value of resistor 317.

比較器310は好ましくは、その出力が、供給電圧が最小動作電圧を下回る場合にハイにならないことを確実にするよう選択される。   Comparator 310 is preferably selected to ensure that its output does not go high when the supply voltage is below the minimum operating voltage.

典型的には、回路202は、バッテリが切断されるかまたはその電圧がその放電サイクルの終わりに向かって下がる場合、スーパーキャパシタを急速に放電する。キャパシタがその事象の直前に通常通りバランスのとれた状態になると、不均衡および過電圧の問題が起こる可能性はなくなるだろう。   Typically, the circuit 202 rapidly discharges the supercapacitor when the battery is disconnected or its voltage falls towards the end of the discharge cycle. If the capacitor is normally balanced just prior to the event, there will be no possibility of imbalance and overvoltage problems.

サブ装置303および同様の装置は、出力311がローであるときにレール306上の電圧に非常に近くなる場合、出力311とより低いレールとの間にはダイオードを必要としない。選択された比較器が出力311において小さな電圧を供給する実施例においては
、ローである場合、ダイオードが追加されてもよい。特に、ダイオードのアノードは抵抗器312に接続され、カソードはレール306に接続される。これにより、高抵抗モードの際に得られる電流が減じられる。しかしながら、低抵抗モードで同様の性能を確実にするために、抵抗器312の値は、順バイアスがかけられたときダイオードにわたって存在するであろう固有の電圧降下のために、調整される。
Subdevice 303 and similar devices do not require a diode between output 311 and the lower rail if output 311 is very close to the voltage on rail 306 when output 311 is low. In embodiments where the selected comparator provides a small voltage at output 311, a diode may be added if low. In particular, the anode of the diode is connected to resistor 312 and the cathode is connected to rail 306. Thereby, the current obtained in the high resistance mode is reduced. However, to ensure similar performance in the low resistance mode, the value of resistor 312 is adjusted due to the inherent voltage drop that would exist across the diode when forward biased.

サブ装置303、304および305に対する応用例には、ノートブックPC;バーコードスキャナ;PDA;GSM、GPRSなどのCFカード;GSM、GPRSなどのPCカード;デジタルカメラ;カメラフラッシュ;ストロボ;通行料金徴収用トランスポンダまたはタグ;レストランでのページング装置;テレビ用のリモコンおよび他の電子器具または装置;車、ボートなどの玩具;玩具を含む無線制御の装置;計算機、時計、照明および海洋または航空用ビーコンを含む太陽電池式の装置;隔離電話システム;他の通信装置;コードレス電話を含む電話;庭用の照明、特に太陽光線を利用する照明;フラッシュライト;光電池/パネル;燃料電池;すべての携帯用の電子機器;ロボット工学およびロボットアクチュエータ;ソレノイドアクチュエータ;遠隔配置された短期間高電流アクチュエータ;電気ハイブリッド車;義肢;ソナーブイ;電動工具などが含まれる。   Applications for sub-devices 303, 304 and 305 include notebook PCs; barcode scanners; PDAs; CF cards such as GSM and GPRS; PC cards such as GSM and GPRS; digital cameras; camera flash; Transponders or tags for restaurants; paging devices in restaurants; remote controls and other electronic appliances or devices for television; toys such as cars, boats; wirelessly controlled devices including toys; computers, clocks, lights and marine or aviation beacons Including solar powered devices; isolated telephone systems; other communication devices; telephones including cordless phones; garden lighting, especially lighting using solar radiation; flashlights; photovoltaic cells / panels; fuel cells; Electronic equipment; Robotics and robot actuators; Soleno De actuator; remotely located short time high current actuator; electric hybrid vehicle; and the like power tools; prostheses; Sonabui.

ここで図47および図48を参照すると、この発明のさらなる実施例が示されるが、そのすべてはアクティブ素子に基づいている。これらの回路は構築および実現が単純でありその費用効率がよいが、ただし、典型的には、上述の実施例のうちの対応するものよりも電力消費が増えるだろう。さらに、これらの実施例は、温度範囲がより制限されている応用例により良く適している。これにより、これらは、さまざまな種類の玩具などの低コストの応用例に理想的なものなる。他の応用例には、電子カメラ;フラッシュ回路;ストローブ回路;ロボットアクチュエータおよびロボット工学全般;燃料電池によって電力供給される装置;レストランでのページング装置;コンセント電源によって電力供給される長い/高い抵抗電力導線(power lead)の端部における、もしくは回路の電流漏洩が重大な問題点ではないアクチュエータ;または、スーパーキャパシタもしくは他の容量性装置の再充電が頻繁に行なわれる他の応用例が含まれる。   47 and 48, further embodiments of the invention are shown, all of which are based on active elements. These circuits are simple to construct and implement and are cost effective, but typically will consume more power than the corresponding ones of the above-described embodiments. Furthermore, these embodiments are better suited for applications where the temperature range is more limited. This makes them ideal for low cost applications such as various types of toys. Other applications include: electronic cameras; flash circuits; strobe circuits; robot actuators and robotics in general; devices powered by fuel cells; paging devices in restaurants; long / high resistance power powered by outlet power Actuators at the end of the power lead or where current leakage in the circuit is not a significant problem; or other applications where recharging of supercapacitors or other capacitive devices is frequent.

図47(a)〜(f)の実施例では、アクティブな装置はMOSFETおよびダイオードを含む。いかなる場合でも、回路は、複数のキャパシタが直列に接続されている応用例を意図したものである。便宜上、バランスさせるべきキャパシタのうちの1つだけが示され、これは各回路の左側に示されている。対応するキャパシタを備えた他の同様の回路は、それぞれの回路の上方および/または下方に接続されている。   In the embodiment of FIGS. 47 (a)-(f), the active device includes a MOSFET and a diode. In any case, the circuit is intended for an application in which a plurality of capacitors are connected in series. For convenience, only one of the capacitors to be balanced is shown, which is shown on the left side of each circuit. Other similar circuits with corresponding capacitors are connected above and / or below each circuit.

これらの回路は、周囲温度が比較的安定しており、かつ使用されているMOSFETのしきい値ターンオン電圧がその温度で既知であるような応用例でも用いられる。典型的には後者が満たされるが、これは、MOSFETが十分に規定されたしきい値電圧規定を有するか、または特定のMOSFETがその既知の整合したしきい値電圧値のために選択されているからである。   These circuits are also used in applications where the ambient temperature is relatively stable and the threshold turn-on voltage of the MOSFET being used is known at that temperature. Typically, the latter is met, which means that the MOSFET has a well-defined threshold voltage specification or that a particular MOSFET is selected for its known matched threshold voltage value. Because.

MOSFETのしきい値電圧が温度に依存しているので、図47に図示される回路の使用は、温度のばらつきが小さく、キャパシタがそれらの最大電圧定格においてまたはその付近では用いられないような応用例に最適に制限される。これにより、キャパシタが過電圧となる危険性なしにキャパシタの電圧の値の安全マージンが確実に広くされる。   Since the threshold voltage of MOSFETs is temperature dependent, the use of the circuit illustrated in FIG. 47 has applications where the temperature variation is small and capacitors are not used at or near their maximum voltage ratings. Limited to examples optimally. This ensures that the safety margin of the capacitor voltage value is widened without the risk of the capacitor becoming overvoltage.

MOSFETがオンになり始める電圧により、対応するキャパシタが定常状態に落着く電圧が決定される。ツェナーダイオード基準を用いたそれらの回路(図47(c)および図47(f))ではばらつきは少なくなるだろう。それにもかかわらず、スイッチング電圧の一貫した外部制御が欠けているために、一群のキャパシタにわたる保護およびバラン
スの一貫性を得るよう構成要素を注意深く選択しかつ整合させる必要があるかもしれない。
The voltage at which the MOSFET begins to turn on determines the voltage at which the corresponding capacitor settles to a steady state. Variations will be reduced in those circuits using the Zener diode reference (FIGS. 47 (c) and 47 (f)). Nevertheless, lack of consistent external control of the switching voltage may necessitate careful selection and matching of components to obtain consistent protection and balance across a group of capacitors.

MOSFETによっては、オフ状態の漏れ電流、すなわちVGS=0ボルト、が重要となる。これらの構成要素は、図47の回路に含まれる場合、比較的高い漏れ電流を有するキャパシタへのそれらの回路の適用を制限する。 For some MOSFETs, off-state leakage current, ie, V GS = 0 volts, is important. These components, when included in the circuit of FIG. 47, limit their application to capacitors having relatively high leakage currents.

ツェナーダイオードはまた比較的高い漏れ電流を有するので、これらと直列な抵抗器は、MOSFETのゲートにおける電圧が正しい電圧に達するまで上昇し始めないように注意深く選択されなければならない。   Since zener diodes also have a relatively high leakage current, the resistors in series with them must be carefully selected so that the voltage at the gate of the MOSFET does not begin to rise until it reaches the correct voltage.

図47(a)および図47(d)の回路は最も単純であり、電源にわたる電圧がしきい値電圧に達するときオンになり、対応するキャパシタからの電流を「漏らし」始めるMOSFETに依拠する。   The circuits of FIGS. 47 (a) and 47 (d) are the simplest and rely on a MOSFET that turns on when the voltage across the power supply reaches a threshold voltage and begins to "leak" current from the corresponding capacitor.

図47の回路全体においては、それぞれのMOSFETのドレインと直列な抵抗器は、MOSFETの特徴と組合されると、バランス電流が電圧とともに増大する割合を決定する。   In the overall circuit of FIG. 47, a resistor in series with the drain of each MOSFET, when combined with the MOSFET characteristics, determines the rate at which the balance current increases with voltage.

図47(b)および図47(e)における回路は、分割された電圧をゲートに送出し、こうして、回路の有効なしきい値電圧を増大させる。   The circuits in FIGS. 47 (b) and 47 (e) send the divided voltage to the gate, thus increasing the effective threshold voltage of the circuit.

図47(c)および図47(f)における回路は、電圧がツェナーダイオードの降伏電圧を超えて上昇した直後にオンになるよう意図されている。ダイオードと組合された抵抗器は、電源が実際の降伏電圧に到達する前にダイオードがMOSFETのゲートにおける電圧を上げ始めないよう十分に低い値である。他の実施例においては、ツェナーダイオードは、低電力、すなわち低電流の電圧基準装置で代用される。このような装置は、その内部設計がより複雑ではあるが、典型的にはより正確なターンオン電圧を供給する。   The circuits in FIGS. 47 (c) and 47 (f) are intended to turn on immediately after the voltage rises above the breakdown voltage of the Zener diode. The resistor in combination with the diode is low enough so that the diode does not begin to raise the voltage at the gate of the MOSFET before the power supply reaches the actual breakdown voltage. In another embodiment, the Zener diode is replaced with a low power, ie low current, voltage reference device. Such devices typically provide a more accurate turn-on voltage, although their internal design is more complex.

ここで図48(a)〜図48(d)を参照すると、アクティブな装置がバイポーラトランジスタおよびダイオードを含んでいるこの発明の代替的な実施例が示される。これらの回路は比較的単純であり、その費用が有力な設計パラメータである場合に最適に用いられる。構成要素を注意深く選択しかつ整合させると、すべての回路は、対応するキャパシタを保護しかつ直列接続された一群のキャパシタをバランスさせるよう機能する。とは言っても、トランジスタの温度敏感性および漸進的なターンオンのために、これらの回路は、バランス回路において正確な電圧バランスポイントと比較的低い電流とを必要とする応用例にはあまり適さないものとなる。   Referring now to FIGS. 48 (a)-(d), there is shown an alternative embodiment of the present invention in which the active device includes a bipolar transistor and a diode. These circuits are relatively simple and are best used when their cost is a powerful design parameter. With careful component selection and matching, all circuits function to protect the corresponding capacitors and balance a group of capacitors connected in series. That said, because of transistor temperature sensitivity and gradual turn-on, these circuits are not well suited for applications that require accurate voltage balance points and relatively low currents in the balance circuit. It will be a thing.

また、図48(a)〜図48(d)には各回路の一部分だけが示されているが、他のキャパシタは保護されバランスが取られており、分かりやすくするためにそれらの対応するバランス回路が省かれていることが理解されるだろう。図45に示されるような回路と同様に、図48の回路は一群の直列なキャパシタとともにカスケード接続される。   Also, FIGS. 48 (a) -48 (d) show only a portion of each circuit, but the other capacitors are protected and balanced, and their corresponding balance for clarity. It will be understood that the circuit is omitted. Similar to the circuit as shown in FIG. 45, the circuit of FIG. 48 is cascaded with a group of series capacitors.

図48(a)および図48(c)に示される回路は最も単純であり、構成要素のばらつきに対し最も耐性がない。バランスさせるべきキャパシタにわたる電圧が増大すると、トランジスタが漸進的にオンになり、漸進的にますます高い電流が流れる。電流の量は、コレクタ抵抗器の値とトランジスタのゲインとに依存している。最適な結果は、これらの回路が温度が安定した環境で用いられ、トランジスタが特徴を適合させるよう選択されると、達成される。   The circuits shown in FIGS. 48 (a) and 48 (c) are the simplest and are the least resistant to component variations. As the voltage across the capacitor to be balanced increases, the transistor gradually turns on and progressively higher current flows. The amount of current depends on the value of the collector resistor and the gain of the transistor. Optimal results are achieved when these circuits are used in a temperature stable environment and the transistors are selected to match the features.

図47(b)および図47(d)に示される回路は、電圧基準装置、この場合、ツェナーダイオードを用いる。しかしながら、他の実施例においては、低電流電圧基準ICが用いられる。構成要素は、トランジスタが所望の電圧バランスポイント付近でオンになり始めるように選択される。バランス電圧の値は、図48(a)および図48(c)に示される回路におけるよりもはるかに良好に制御されている。   The circuits shown in FIGS. 47B and 47D use a voltage reference device, in this case a Zener diode. However, in other embodiments, a low current voltage reference IC is used. The components are selected so that the transistor begins to turn on near the desired voltage balance point. The value of the balance voltage is controlled much better than in the circuits shown in FIGS. 48 (a) and 48 (c).

これらの回路は、キャパシタ上の通常の動作電圧と最大許容電圧との間に何らかの安全マージンが存在する応用例において最適に用いられる。さらに、当該回路は、好ましくは、電圧が通常の動作レベルを上回り始めるとそれぞれのキャパシタを放電するよう設計される。これにより、構成要素における温度の変化または不整合によるエラーのためにかなりのマージンが残される。   These circuits are optimally used in applications where there is some safety margin between the normal operating voltage on the capacitor and the maximum allowable voltage. Furthermore, the circuit is preferably designed to discharge the respective capacitors when the voltage starts to exceed normal operating levels. This leaves significant margin for errors due to temperature changes or mismatches in the components.

図48(a)および図48(c)の回路はまた、高い漏れ電流キャパシタに最もよく適用される。というのも、それらの基準電圧に達する前に電圧基準装置を流れる電流が、この発明の他の実施例に比べて高くなる傾向があるからである。さらに、回路は漸進的にオンになる傾向がある。   The circuits of FIGS. 48 (a) and 48 (c) are also best applied to high leakage current capacitors. This is because the current flowing through the voltage reference device before reaching these reference voltages tends to be higher than in other embodiments of the invention. Furthermore, the circuit tends to turn on gradually.

この発明の上述の実施例においては、好適なアクティブ素子の例が設けられる。他の実施例においては、同等の機能を与える他の同様の構成要素または構成要素の組合せが用いられる。この明細書中における教示の利点により、このような同様の構成要素または構成要素の組合せは当業者には公知となるだろう。   In the above-described embodiments of the invention, examples of suitable active elements are provided. In other embodiments, other similar components or combinations of components that provide equivalent functionality are used. Such similar components or combinations of components will be known to those skilled in the art due to the advantages of the teachings herein.

好ましい実施例において用いられるアクティブ素子は、それぞれの実施例が動作するよう設計された電源および負荷特徴を考慮に入れて選択されることが当業者に理解されるだろう。また、上述の実施例において開示されるようなアクティブ素子については、指定された同様の装置間にばらつきが存在し、これらのばらつきが、明らかに同様の装置を組込んだ同様の回路が特に電源がオフにされる場合の十分に異なる挙動またはアクティブ素子が正常に機能するレベルを下回る電圧を呈することのないようなものであることを確実にするよう考慮される必要があるかもしれないことをその譲受人は理解するだろう。たとえば、この状態では、アクティブ素子、すなわち演算増幅器は、負荷が短時間でキャパシタを放電するのを防止しなければならない。別の例として、2つの演算増幅器が用いられる実施例、または、各演算増幅器に対する電流消費を考慮に入れる必要があるかもしれない実施例、および、キャパシタ上のバランスのとれた負荷を確実に表わすための実施例があげられる。さらなる例として、単一の演算増幅器が用いられたり、演算増幅器の出力がキャパシタのうちの1つを確実に放電しないようにすることを考慮に入れる必要があるかもしれないようなものがあげられる。   It will be appreciated by those skilled in the art that the active elements used in the preferred embodiments are selected taking into account the power supply and load characteristics that each embodiment is designed to operate. In addition, for active elements as disclosed in the above-described embodiments, there are variations among similar designated devices, and these variations are apparently similar to circuits that incorporate similar devices, especially power supplies. That it may need to be taken into account to ensure that the behavior of the active element is such that it does not exhibit sufficiently different behavior or active elements below normal working levels when The assignee will understand. For example, in this state, the active element, ie the operational amplifier, must prevent the load from discharging the capacitor in a short time. As another example, an embodiment in which two operational amplifiers are used, or an embodiment where current consumption for each operational amplifier may need to be taken into account, and a balanced load on the capacitor is reliably represented. Examples for this are given. Further examples include those where a single operational amplifier may be used or it may be necessary to take into account ensuring that the output of the operational amplifier does not discharge one of the capacitors. .

上述の実施例のすべてにおいては、バランス抵抗器はオプションである。これらを含むかまたは省くかについては、典型的には、供給電圧が低いレベルに下がるときのアクティブ素子の挙動の態様を考慮に入れるか、またはバランスが取られている直列接続されたキャパシタ間に不均衡をもたらすように流れる電流の大きさを考慮に入れて決定されることを発明者が見出した。電源、典型的にはバッテリが接続されたままである(すなわち、電力が絶えずオンのままである)ような応用例においては、バランス抵抗器は通常必要とされない。バッテリによって電力が供給され、バランス抵抗器が省かれるような実施例においては、バランス抵抗器を備える同等の回路にわたる実行時間がより長くなるという利点がある。   In all of the above embodiments, a balance resistor is optional. Including or omitting these typically takes into account the behavior of the active element when the supply voltage drops to a low level or between series connected capacitors that are balanced. The inventors have found that it is determined taking into account the magnitude of the current flowing so as to cause an imbalance. In applications where the power source, typically the battery, remains connected (ie, the power remains constantly on), the balance resistor is usually not needed. In embodiments where power is supplied by the battery and the balance resistor is omitted, there is the advantage of longer run time over an equivalent circuit with the balance resistor.

上述の実施例は1つ以上のスーパーキャパシタをバランスさせることに関して記載されているが、これらはまた、対応する数の他の容量性装置をバランスさせるのにも好適である。   Although the embodiments described above are described with respect to balancing one or more supercapacitors, they are also suitable for balancing a corresponding number of other capacitive devices.

この発明の実施例は、スーパーキャパシタを整合させる際の固有の問題を克服するよう開発されてきた。結果として、当該実施例は、より広範囲の環境条件にわたって動作可能であり、特定の応用例が必要とする許容差をより良く適合させることができる。   Embodiments of the invention have been developed to overcome the inherent problems in matching supercapacitors. As a result, the embodiment can operate over a wider range of environmental conditions and can better accommodate the tolerances required by a particular application.

この発明の実施例を用いることにより、セルの動作電圧を増大させることが可能となり、これにより、より少ないセルを直列で用いて所与の電圧で動作させることができる。さらに、直列のセルにわたる電圧が確実に均一になるので、先行技術の直列接続されたセルに必要とされるより保守的な安全要因を省くことができる。   By using an embodiment of the present invention, it is possible to increase the operating voltage of the cell, thereby allowing fewer cells to be used in series and operated at a given voltage. In addition, the voltage across the series cells is ensured to be uniform, thus eliminating the more conservative safety factor required for prior art series connected cells.

より高い動作電圧のために、各セルはより高いエネルギ密度および電力密度を供給する。   Because of the higher operating voltage, each cell supplies a higher energy density and power density.

この発明の実施例は、セル間の静電気の差の問題だけでなく、セルがスーパーキャパシタに組込まれ電子回路に適用されると必然的に発生する動的な変化にも対処する。   Embodiments of the present invention address not only the problem of electrostatic differences between cells, but also the dynamic changes that naturally occur when cells are incorporated into supercapacitors and applied to electronic circuits.

結果として異なる静電容量を有する対向する電極をもたらすこととなる非対称のセルの幾何学的構成または他のファクタを含むスーパーキャパシタおよび他のエネルギ貯蔵装置がある。この発明の実施例は、全体的なセル電圧が依然として直列接続されたセルに対してバランスが取られているような装置にも適用可能である。   There are supercapacitors and other energy storage devices that include asymmetric cell geometries or other factors that result in opposing electrodes having different capacitances. Embodiments of the present invention are also applicable to devices where the overall cell voltage is still balanced against cells connected in series.

この発明の実施例に対する応用例には、ノートブックPC;バーコードスキャナ;PDA;GSM、GPRS、EDGE、UMTS、3GなどのCFカード;GSM、GPRS、EDGE、UMTS、3GなどのPCカード;デジタルスチールカメラ;デジタルビデオカメラ;デジタル一眼レフカメラ;カメラフラッシュ;ストロボ;通行料金徴収用トランスポンダまたはタグ;RFIDタグ;自動計測器およびシステム;UPSシステム;負荷平均化システム;レストランでのページング装置;テレビ用のリモコンおよび他の電子器具または装置;車、ボートなどの玩具;玩具を含む無線制御の装置;計算機、時計、照明および海洋または航空用のビーコンを含む太陽電池式の装置;隔離電話システム;他の通信装置;コードレス電話を含む電話;庭用の照明、特に太陽光線を利用するもの;フラッシュライト;光電池/パネル;燃料電池;バッテリまたは燃料電池などによって電力供給されるかどうかにかかわらず、すべての携帯用の電子機器;ロボット工学およびロボットアクチュエータ;電気モータのための負荷制御およびバランス装置;ソレノイドアクチュエータ;遠隔配置された短期間高電流アクチュエータ;電気ハイブリッド車;義肢;ソナーブイ;電動工具などが含まれる。   Examples of applications for embodiments of the invention include notebook PCs; barcode scanners; PDAs; CF cards such as GSM, GPRS, EDGE, UMTS, 3G; PC cards such as GSM, GPRS, EDGE, UMTS, 3G; Still camera; Digital video camera; Digital SLR camera; Camera flash; Strobe; Transponder or tag for toll collection; RFID tag; Automatic measuring instrument and system; UPS system; Load averaging system; Paging device in restaurant; Remote controls and other electronic appliances or devices; toys such as cars, boats; wirelessly controlled devices including toys; solar-powered devices including computers, watches, lights and marine or aviation beacons; isolated telephone systems; Communication devices, including cordless phones Phones; garden lighting, especially those that use solar radiation; flashlights; photovoltaic cells / panels; fuel cells; all portable electronic devices, whether powered by batteries or fuel cells; robots Engineering and robot actuators; load control and balance devices for electric motors; solenoid actuators; remotely located short term high current actuators; electric hybrid vehicles; prosthetic limbs; sonar buoys;

この発明が高電力装置およびシステムならびに低電力装置およびシステムの両方に適用可能であることを当業者は理解するだろう。   Those skilled in the art will appreciate that the present invention is applicable to both high power devices and systems and low power devices and systems.

付録1に示される例のうちのいくつかは関連するハウジングを備えたエネルギ貯蔵装置についてのデータを含むが、そのハウジングの影響を除去するよう訂正されたものもある。後者は、パッケージング材料に関係なくセル自体の有効な厚さおよび密度を示すよう意図されている。   Some of the examples shown in Appendix 1 contain data for energy storage devices with an associated housing, but some have been corrected to remove the effects of that housing. The latter is intended to indicate the effective thickness and density of the cell itself regardless of the packaging material.

とは言っても、実際の応用例については、計算の範囲内でハウジングを含む必要がある。さまざまなハウジングが利用可能であるが、そのうちの1つは、PCT特許出願PCT/AU01/00838に引用され、その開示が相互参照によりこの明細書中に援用されている。   That said, for practical applications it is necessary to include the housing within the scope of the calculation. A variety of housings are available, one of which is cited in PCT patent application PCT / AU01 / 00838, the disclosure of which is incorporated herein by cross reference.

図11には少なくとも120μAの充電電流および/または漏れ電流が示されるが、こ
れは上述の実施例には珍しいものではない。このような電流がデュアルセル装置から得られ、動作電圧が4.5ボルトであれば、装置の全実効抵抗は約37.5kΩとなる。したがって、1つのセルにわたる電圧を2.7ボルトに制限してセルの損傷を防ぐためには、他のセルにわたる電圧は1.8ボルトであり、その実効抵抗は15kΩである。
FIG. 11 shows a charging current and / or leakage current of at least 120 μA, which is not uncommon for the above-described embodiments. If such a current is obtained from a dual cell device and the operating voltage is 4.5 volts, the total effective resistance of the device is about 37.5 kΩ. Thus, to limit the voltage across one cell to 2.7 volts to prevent cell damage, the voltage across the other cell is 1.8 volts and its effective resistance is 15 kΩ.

1つ以上の抵抗素子だけを有するバランスに依拠する実施例においては、各セルと並列に含まれるべき保存性の抵抗値は約15kΩ未満である。安全係数に対する要望を考慮すると、このような実施例で用いられる最小抵抗値は約10kΩとなることが判明した。しかしながら、他の実施例においては、長寿命のエネルギ源がたとえばモバイルの応用例に対する有力な設計基準である場合、より高い抵抗値が用いられる。したがって、他のいくつかの実施例においては、抵抗値は少なくとも39kΩである。より好ましくは、抵抗値は約100kΩを上回り、さらにより好ましくは約270kΩを上回る。さらなる実施例においては、抵抗値は約330kΩを上回り、より好ましくは約390kΩを上回る。また、代替的な実施例においては、いくつかの実施例において約470kΩを上回るより高い抵抗値を利用することもできる。長寿命のバッテリが用いられる場合、約680kΩを上回る抵抗値が有利であることが判明した。いくつかの実施例においては、抵抗値は約1MΩを上回る。   In an embodiment that relies on a balance having only one or more resistive elements, the conservative resistance value to be included in parallel with each cell is less than about 15 kΩ. Considering the demand for the safety factor, it has been found that the minimum resistance value used in such an embodiment is about 10 kΩ. However, in other embodiments, higher resistance values are used when long-lived energy sources are the dominant design criteria, for example for mobile applications. Thus, in some other embodiments, the resistance value is at least 39 kΩ. More preferably, the resistance value is greater than about 100 kΩ, and even more preferably greater than about 270 kΩ. In a further embodiment, the resistance value is greater than about 330 kΩ, more preferably greater than about 390 kΩ. Alternate embodiments may also utilize higher resistance values above about 470 kΩ in some embodiments. It has been found that resistance values above about 680 kΩ are advantageous when long-life batteries are used. In some embodiments, the resistance value is greater than about 1 MΩ.

特定の例に関してこの発明を説明してきたが、これが他の多くの形で具体化され得ることを当業者は理解するだろう。   While the invention has been described with reference to specific examples, those skilled in the art will appreciate that this can be embodied in many other forms.

例1の二重セルスーパーキャパシタで用いられる1956の個々のセルの漏れ電流のヒストグラムであり、平均漏れ電流は0.179マイクロアンペアであり、標準偏差は0.030マイクロアンペア(平均値の17%)である。FIG. 6 is a histogram of the leakage current of 1956 individual cells used in the double cell supercapacitor of Example 1, with an average leakage current of 0.179 microamperes and a standard deviation of 0.030 microamperes (17% of the average value). ). 図1のセルの静電容量のヒストグラムであり、平均値は0.475ファラドであり、標準偏差は0.011ファラド(平均値の2.3%)である。2 is a histogram of the capacitance of the cell of FIG. 1, with an average value of 0.475 farads and a standard deviation of 0.011 farads (2.3% of the mean value). 図1のセルのESRのヒストグラムであり、平均値は25.8ミリオームであり、標準偏差は1.5ミリオーム(平均値の5.8%)である。2 is an ESR histogram of the cell of FIG. 1, with an average value of 25.8 milliohms and a standard deviation of 1.5 milliohms (5.8% of the mean value). 例2の二重セルスーパーキャパシタで用いられる1354の個々のセルの漏れ電流のヒストグラムであり、平均漏れ電流は0.151マイクロアンペアであり、標準偏差は0.102マイクロアンペア(平均値の67%)である。1354 is a 1354 individual cell leakage current histogram used in the double cell supercapacitor of Example 2, with an average leakage current of 0.151 microamps and a standard deviation of 0.102 microamps (67% of average). ). 図4のセルの静電容量のヒストグラムであり、平均値は0.557ファラドであり、標準偏差は0.015ファラド(平均値の2.7%)である。5 is a histogram of the capacitance of the cell of FIG. 4, with an average value of 0.557 farads and a standard deviation of 0.015 farads (2.7% of the mean value). 図4のセルのESRのヒストグラムであり、平均値は33.7マイクロオームであり、標準偏差は1.9ミリオーム(平均値の5.7%)である。4 is a histogram of the ESR of the cell of FIG. 4, with an average value of 33.7 microohms and a standard deviation of 1.9 milliohms (5.7% of the average value). 例1のスーパーキャパシタで用いられるセルの典型的な10のセルについての電荷電流対時間のグラフであり、電流は70℃および2.3ボルトで測定される。FIG. 4 is a graph of charge current versus time for 10 typical cells used in the supercapacitor of Example 1, with current measured at 70 ° C. and 2.3 volts. 一定の電圧(この例では2.5ボルト)で測定された例1のスーパーキャパシタで用いられるセルの典型的な10のセルについての漏れ電流対温度のグラフである。FIG. 6 is a graph of leakage current versus temperature for a typical 10 cells of the cell used in the supercapacitor of Example 1 measured at a constant voltage (2.5 volts in this example). 一定の温度(この例では70℃)で測定された、例1のスーパーキャパシタで用いられるセルの典型的な10のセルについての漏れ電流対電圧のグラフである。FIG. 4 is a graph of leakage current versus voltage for a typical 10 cells of the cell used in the supercapacitor of Example 1 measured at a constant temperature (70 ° C. in this example). 一定の温度(この例では70℃)で測定された、例1のスーパーキャパシタで用いられるセルの典型的な2つの整合されていないセルの漏れ電流対セル電圧のグラフである。FIG. 5 is a graph of leakage current versus cell voltage for two typical unmatched cells of the cell used in the supercapacitor of Example 1 measured at a constant temperature (70 ° C. in this example). 38時間70℃および2.3ボルトで測定された例1のスーパーキャパシタの典型的な2つの整合されたセルの電荷電流対時間のグラフである。FIG. 6 is a graph of charge current versus time for two typical matched cells of Example 1 supercapacitor measured at 70 ° C. and 2.3 volts for 38 hours. 50℃で測定されかつ直列の1kΩの抵抗器で1.0ボルトまで充電され、さらに1kΩで短絡された、例2のスーパーキャパシタで用いられるセルの典型的な8個のセルの、3つの充電/放電サイクルのグラフである。Three charges of a typical 8 cell of the cell used in the supercapacitor of Example 2, measured at 50 ° C. and charged to 1.0 volt with a 1 kΩ resistor in series and shorted with 1 kΩ / It is a graph of a discharge cycle. バランス抵抗器を有さずにおよび有して、4.5ボルトの動作電圧および50℃の温度で検査された例2の二重セルスーパーキャパシタの電圧分布である。FIG. 4 is the voltage distribution of the double cell supercapacitor of Example 2 tested with and without a balance resistor, with an operating voltage of 4.5 volts and a temperature of 50 ° C. FIG. 本発明の一局面に従った抵抗バランスの斜視図である。1 is a perspective view of resistance balance according to one aspect of the present invention. FIG. 図14のバランスの上面図である。It is a top view of the balance of FIG. 図14のバランスの底面図である。It is a bottom view of the balance of FIG. 図14のバランスを含む部分的に組立てられたスーパーキャパシタの斜視図である。FIG. 15 is a perspective view of a partially assembled supercapacitor including the balance of FIG. 14. 図14のバランスを含む完全に組立てられたスーパーキャパシタの斜視図である。FIG. 15 is a perspective view of a fully assembled supercapacitor including the balance of FIG. 14. 図18のスーパーキャパシタの回路図である。It is a circuit diagram of the super capacitor of FIG. 図14の抵抗バランスが装着されるPCカードの概略図である。It is the schematic of the PC card with which the resistance balance of FIG. 14 is mounted | worn. 本発明の別の実施例に従った抵抗バランスを含む代替のスーパーキャパシタの上面図である。FIG. 6 is a top view of an alternative supercapacitor including a resistance balance according to another embodiment of the present invention. 図21のスーパーキャパシタの側面図である。FIG. 22 is a side view of the supercapacitor of FIG. 21. 図21のスーパーキャパシタ内に含まれるの一方のセルの上面図である。FIG. 22 is a top view of one cell included in the supercapacitor of FIG. 21. 図21のスーパーキャパシタ内に含まれる他方のセルの上面図である。FIG. 22 is a top view of the other cell included in the supercapacitor of FIG. 21. 図21のスーパーキャパシタの組立ての中間段階における図23および24のセルの上面図である。FIG. 22 is a top view of the cell of FIGS. 23 and 24 in an intermediate stage of the assembly of the supercapacitor of FIG. 図25のセルの側面図である。It is a side view of the cell of FIG. 図21のスーパーキャパシタ内に含まれる抵抗ストリップの側面図である。FIG. 22 is a side view of a resistor strip included in the supercapacitor of FIG. 21. 図27のストリップの上面図である。FIG. 28 is a top view of the strip of FIG. 27. 図27のストリップの底面図である。FIG. 28 is a bottom view of the strip of FIG. 27. 図27に示された抵抗ストリップの代替の抵抗ストリップの平面図である。FIG. 28 is a plan view of an alternative resistive strip to the resistive strip shown in FIG. 27. 図30のストリップの側面図である。FIG. 31 is a side view of the strip of FIG. 30. 形成中の図30の複数のストリップの平面図である。FIG. 31 is a plan view of the plurality of strips of FIG. 30 being formed. 図30に示された抵抗ストリップの代替の抵抗ストリップの平面図である。FIG. 31 is a plan view of an alternative resistive strip to the resistive strip shown in FIG. 30. 図27に示される抵抗ストリップのさらに他の代替の抵抗ストリップの平面図である。FIG. 28 is a plan view of yet another alternative resistive strip of the resistive strip shown in FIG. 27. 形成中の図34の複数のストリップの平面図である。FIG. 35 is a plan view of the plurality of strips of FIG. 34 being formed. 本発明の一実施例に従ったバランスを含む電力装置のブロック図である。1 is a block diagram of a power device including a balance according to one embodiment of the present invention. FIG. 図23に示されるバランスの回路図である。FIG. 24 is a circuit diagram of the balance shown in FIG. 23. 高いインピーダンスのバランス抵抗器を含む本発明のバランスの代替の実施例の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of an alternative embodiment of the balance of the present invention including a high impedance balance resistor. 本発明のさらなる代替の実施例の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a further alternative embodiment of the present invention. バランス抵抗器を含むものの、図26の実施例と同様である本発明のさらなる実施例の回路図である。FIG. 27 is a circuit diagram of a further embodiment of the present invention that includes a balance resistor but is similar to the embodiment of FIG. 2つよりも多いキャパシタを保護およびバランスをとるための本発明の別の実施例の回路図であり、擬似的にカスケードされた図26の装置のうちの2つの組合わせを含む図である。FIG. 27 is a circuit diagram of another embodiment of the present invention for protecting and balancing more than two capacitors, including a combination of two of the devices of FIG. 26 quasi-cascaded. 本発明のさらなる実施例の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a further embodiment of the present invention. 図29と同様でありかつバランシング抵抗器を含む本発明の別の実施例の回路図である。FIG. 30 is a circuit diagram of another embodiment of the present invention similar to FIG. 29 and including a balancing resistor. 本発明に従った代替のバランスの回路図である。FIG. 6 is an alternative balanced circuit diagram according to the present invention. 図31のバランスのサブ装置のうちの1つの詳細な図である。FIG. 32 is a detailed view of one of the balancing sub-devices of FIG. 31; バランス抵抗器を含むものの、図31のそれと同様の装置の回路図である。FIG. 32 is a circuit diagram of an apparatus similar to that of FIG. 31 but including a balance resistor. (a)から(f)は、本発明に従ったアクティブなバランスのさらなる実施例の回路図であり、MOSFET装置に基づく図である。(A) to (f) are circuit diagrams of further embodiments of active balance according to the present invention, based on MOSFET devices. (a)から(d)は、本発明に従ったアクティブなバランスのさらなる実施例の回路図であり、バイポーラ装置に基づく図である。(A) to (d) are circuit diagrams of further embodiments of active balance according to the present invention, based on bipolar devices.

[参考図]

Figure 2006517733
[Reference diagram]
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Claims (10)

各々が2つの端子を含む複数のエネルギ貯蔵セルを有するエネルギ貯蔵装置であって、隣接する端子は、セルを直列に接続するよう接合部において係合され、前記装置は、
直列なセルのうちの最初のセルの端子のうちの1つに接続される第1の接点と、
直列なセルのうちの最後のセルの端子のうちの1つに接続される第2の接点と、
それぞれの接合部に接続される少なくとも1つの中間接点と、
前記装置のために抵抗バランスを集合的に規定するための接点間に延在する抵抗経路とを含む、エネルギ貯蔵装置。
An energy storage device having a plurality of energy storage cells each including two terminals, wherein adjacent terminals are engaged at a junction to connect the cells in series, the device comprising:
A first contact connected to one of the terminals of the first cell of the series cells;
A second contact connected to one of the terminals of the last cell of the series cells;
At least one intermediate contact connected to each junction;
An energy storage device including a resistance path extending between contacts for collectively defining a resistance balance for the device.
抵抗経路のうちの少なくとも1つは導電性部分と抵抗部分とを含む、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein at least one of the resistive paths includes a conductive portion and a resistive portion. 前記抵抗部分は抵抗器を含む、請求項2に記載の装置。   The apparatus of claim 2, wherein the resistive portion comprises a resistor. 前記抵抗部分は抵抗器を含む、請求項3に記載の装置。   The apparatus of claim 3, wherein the resistive portion comprises a resistor. 前記抵抗部分は1つ以上のアクティブ素子を含む、請求項2に記載の装置。   The apparatus of claim 2, wherein the resistive portion includes one or more active elements. 前記抵抗部分は1つ以上のアクティブ素子と1つ以上のパッシブ素子との組合せを含む、請求項5に記載の装置。   The apparatus of claim 5, wherein the resistive portion comprises a combination of one or more active elements and one or more passive elements. 前記アクティブな装置は、演算増幅器;ダイオード;トランジスタ;および別のアクティブな装置のうちの1つ以上を含む、請求項6に記載の装置。   The apparatus of claim 6, wherein the active device comprises one or more of an operational amplifier; a diode; a transistor; and another active device. 前記パッシブな装置は、抵抗器;キャパシタ;および別のパッシブな装置のうちの1つ以上を含む、請求項7に記載の装置。   The device of claim 7, wherein the passive device comprises one or more of a resistor; a capacitor; and another passive device. 前記セルのうちの少なくとも1つは超容量性セルである、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein at least one of the cells is a supercapacitive cell. 前記超容量性セルは炭素ベースの超容量性セルである、請求項9に記載の装置。   The apparatus of claim 9, wherein the supercapacitive cell is a carbon-based supercapacitive cell.
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